Тексты лекций для студентов специальности 1 31 04 01- 02 «Физика ( научно-производственная деятельность)»
|
|
Скачать 1.85 Mb.
|
|
^ Белки подразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды. При гидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме аминокислот и вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми. Протеины. Альбумины хорошо растворяются в воде. Встречаются в молоке, яичном белке и крови. Глобулины в воде не растворяются, но растворимы в разбавленных растворах солей. К глобулинам принадлежат глобулины крови и мышечный белок миозин. Глутелины растворяются только в разбавленных растворах щелочей. Встречаются в растениях. Склеропротеины — нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи и соединительных тканей коллаген, белок натурального шелка фиброин. Протеиды построены из протеинов, соединенных с молекулами другого типа (простетическими группами). Фосфопротеиды содержат молекулы фосфорной кислоты, связанные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокислоты серина. К ним относится вителлин—белок, содержащийся в яичном желтке, белок молока казеин. Гликопротеиды содержат остатки углеводов. Они входят в состав хрящей, рогов, слюны. Хромопротеиды содержат молекулу окрашенного вещества, обычно типа порфина. Самым важным хромопротеидом является гемоглобин — переносчик кислорода, окрашивающий красные кровяные тельца. Нуклеопротеиды — протеины, связанные с нуклеиновыми кислотами. Они представляют собой очень важные с биологической точки зрения белки—составные части клеточных ядер. Нуклеопротеиды являются важнейшей составной частью вирусов — возбудителей многих болезней. При соединении двух или нескольких аминокислот образуется более сложное соединение - полипептид. Полипептиды, соединяясь, образуют еще более сложные и крупные частицы и в итоге - сложную молекулу белка. ^ , входящие в мышечные волокна высших организмов. Мышечные волокна - миофибриллы - представляют собой длинные тонкие нити, состоящие из параллельных более тонких мышечных нитей, окруженных внутриклеточной жидкостью. В ней растворены аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), необходимая для осуществления сокращения, гликоген - питательное вещество, неорганические соли и многие другие вещества, в частности кальций. Велика роль белков в транспорте веществ в организме. Имея различные функциональные группы и сложное строение макромолекулы, белки связывают и переносят с током крови многие соединения. Это прежде всего гемоглобин, переносящий кислород из легких к клеткам. В мышцах эту функцию берет на себя еще один транспортный белок - миоглобин. Еще одна функция белка - запасная. К запасным белкам относят ферритин - железо, овальбумин - белок яйца, казеин - белок молока, зеин - белок семян кукурузы. Регуляторную функцию выполняют белки-гормоны. Гормоны - биологически активные вещества, которые оказывают влияние на обмен веществ. Многие гормоны являются белками, полипептидами или отдельными аминокислотами. Одним из наиболее известных белков-гормонов является инсулин. Этот простой белок состоит только из аминокислот. Функциональная роль инсулина многопланова. Он снижает содержание сахара в крови, способствует синтезу гликогена в печени и мышцах, увеличивает образование жиров из углеводов, влияет на обмен фосфора, обогащает клетки калием. Регуляторной функцией обладают белковые гормоны гипофиза - железы внутренней секреции, связанной с одним из отделов головного мозга. Он выделяет гормон роста, при отсутствии которого развивается карликовость. Этот гормон представляет собой белок с молекулярной массой от 27000 до 46000. Одним из важных и интересных в химическом отношении гормонов является вазопрессин. Он подавляет мочеобразование и повышает кровяное давление. Вазопрессин - это октапептид циклического строения с боковой цепью: про - лиз - гли(NH2) | цис - асп(NH2) / \ S глу(NH2) | | S фенилаланин \ / цис - тир Регуляторную функцию выполняют и белки, содержащиеся в щитовидной железе - тиреоглобулины, молекулярная масса которых около 600000. Эти белки содержат в своем составе йод. При недоразвитии железы нарушается обмен веществ. Другая функция белков - защитная. На ее основе создана отрасль науки, названная иммунологией. В последнее время в отдельную группу выделены белки с рецепторной функцией. Есть рецепторы звуковые, вкусовые, световые и др. рецепторы. Следует упомянуть и о существовании белковых веществ, тормозящих действие ферментов. Такие белки обладают ингибиторными функциями. При взаимодействии с этими белками фермент образует комплекс и теряет свою активность полностью или частично. Многие белки - ингибиторы ферментов - выделены в чистом виде и хорошо изучены. Их молекулярные массы колеблются в широких пределах; часто они относятся к сложным белкам - гликопротеидам, вторым компонентом которых является углевод. Если белки классифицировать только по их функциям, то такую систематизацию нельзя было бы считать завершенной, так как новые исследования дают много фактов, позволяющих выделять новые группы белков с новыми функциями. Среди них уникальные вещества - нейропептиды (ответственные за важнейшие жизненные процессы: сна, памяти, боли, чувства страха, тревоги). ^ В основе всех жизненных процессов лежат тысячи химических реакций. Они идут в организме без применения высокой температуры и давления, т. е. в мягких условиях. Вещества, которые окисляются в клетках человека и животных, сгорают быстро и эффективно, обогащая организм энергией и строительным материалом. Но те же вещества могут годами храниться как в консервированном (изолированном от воздуха) виде, так и на воздухе в присутствие кислорода. Возможность быстрого переваривания продуктов в живом организме осуществляется благодаря присутствию в клетках особых биологических катализаторов - ферментов. Ферменты - это специфические белки, входящие в состав всех клеток и тканей живых организмов играющие роль биологических катализаторов. О ферментах люди узнали давно. Еще в начале прошлого века в Петербурге К.С.Кирхгоф выяснил, что проросший ячмень способен превращать полисахарид крахмал в дисахарид мальтозу, а экстракт дрожжей расщеплял свекловичный сахар на моносахариды - глюкозу и фруктозу. Это были первые исследования в ферментологии. Хотя на практике применение ферментативных процессов было известно с незапамятных времен (сбраживание винограда, сыроварение и др.). В разных изданиях применяются два понятия : "ферменты" и "энзимы". Эти названия идентичны. Они обозначают одно и тоже - биологические катализаторы. Первое слово переводится как "закваска", второе - "в дрожжах". Долгое время не представляли, что же происходит в дрожжах, какая сила, присутствующая в них, заставляет вещества разрушаться и превращаться в более простые. Только после изобретения микроскопа было установлено, что дрожжи - это скопление большого количества микроорганизмов, которые используют сахар в качестве своего основного питательного вещества. Иными словами, каждая дрожжевая клетка "начинена" ферментами способными разлагать сахар. Но в то же время были известны и другие биологические катализаторы, не заключенные в живую клетку, а свободно "обитающие" вне ее. Например, они были найдены в составе желудочных соков, клеточных экстрактов. В связи с этим в прошлом различали два типа катализаторов: считалось, что собственно ферменты неотделимы от клетки и вне ее не могут функционировать, т.е. они "организованы". А "неорганизованные" катализаторы, которые могут работать вне клетки, называли энзимами. Такое противопоставление "живых" ферментов и "неживых" энзимов объяснялось влиянием виталистов, борьбой идеализма и материализма в естествознании. Точки зрения ученых разделились. Основоположник микробиологии Л. Пастер утверждал, что деятельность ферментов определяется жизнью клетки. Если клетку разрушить, то прекратиться и действие фермента. Химики во главе с Ю. Лбихом развивали чисто химическую теорию брожения, доказывая, что активность ферментов не зависит от существования клетки. В 1871 г. русский врач М.М. Манассеина разрушила дрожжевые клетки, растирая их речным песком. Клеточный сок, отделенный от остатков клеток, сохранял свою способность сбраживать сахар. Через четверть века немецкий ученый Э. Бухнер получил бесклеточный сок прессованием живых дрожжей под давлением до 5*10 Па. Этот сок, подобно живым дрожжам, сбраживал сахар с образованием спирта и оксида углерода (IV): фермент C6H12O6--->2C2H5OH + 2CO2 Работы А.Н. Лебедева по исследованию дрожжевых клеток и труды других ученых положили конец виталистическим представления в теории биологического катализа, а термины "фермент" и "энзим" стали применять как равнозначные. В наши дни ферментология - это самостоятельная наука. Выделено и изучено около 2 тыс. ферментов. ^ Важнейшим свойством ферментов является преимущественное одной из нескольких теоретически возможных реакций. В зависимости от условий ферменты способны катализировать как прямую так и обратную реакцию. Это свойство ферментов имеет большое практическое значение. Другое важнейшее свойство ферментов - термолабильность, т. е. высокая чувствительность к изменениям температуры. Так как ферменты являются белками, то для большинства из них температура свыше 70 C приводит к денатурации и потере активности. При увеличении температуры до 10 С реакция ускоряется в 2-3 раза, а при температурах близких к 0 С скорость ферментативных реакций замедляется до минимума. Следующим важным свойством является то, что ферменты находятся в тканях и клетках в неактивной форме (проферменте). Классическими его примерами являются неактивные формы пепсина и трипсина. Существование неактивных форм ферментов имеет большое биологическое значение. Если бы пепсин вырабатывался сразу в активной форме, то пепсин "переваривал" стенку желудка, т. е. желудок "переваривал" сам себя. ^ На Международном биохимическом съезде было принято, что ферменты должны классифицироваться по типу реакции, катализируемой ими. В названии фермента обязательно присутствует название субстрата, т. е. того соединения, на которое воздействует данный фермент, и окончание -аза. (Аргиназа катализирует гидролиз аргинина и т.д.) По этому принципу все ферменты были разделены на 6 признаков: 1.Оксидоредуктазы - ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, например каталаза: 2H2O2-->O2+2H2O 2.Трансферазы - ферменты, катализирующие перенос атомов или радикалов. 3.Гидролазы - ферменты, разрывающие внутримолекулярные связи путем присоединения молекул воды, например фосфатаза: OH / R - O - P = O + H2O --> ROH + H3PO4 \ OH 4.Лиазы - ферменты, отщепляющие от субстрата ту или иную группу без присоединения воды, негидролитическим путем. Например: отщепление карбоксильной группы декарбоксилазой: O O // / CH3 - C - C ---->CO2 + CH3 - C || \ \ O OH H 5.Изомеразы - ферменты, катализирующие превращение одного изомера в другой: глюкозо-6-фосфат --> глюкозо-1-фосфат 6.Синтетазы - ферменты, катализирующие реакции синтеза. Лекция 5 Строение, функции и свойства нуклеиновых кислот 5.1 Нуклеиновые кислоты 5.2 Общие свойства нуклеиновых кислот 5.3 Функции нуклеиновых кислот 5.1 Нуклеиновые кислоты Нуклеиновые кислоты – биополимеры, состоящие из остатков фосфорной кислоты, сахаров и азотистых оснований (пуринов и пиримидинов). Имеют фундаментальное биологическое значение, поскольку содержат в закодированном виде всю генетическую информацию любого живого организма, от человека до бактерий и вирусов, передаваемую от одного поколения другому. Нуклеиновые кислоты были впервые выделены из клеток гноя человека и спермы лосося швейцарским врачом и биохимиком Ф.Мишером между 1869 и 1871. Впоследствии было установлено, что существует два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК), однако их функции долго оставались неизвестными. В 1928 английский бактериолог Ф.Гриффит обнаружил, что убитые патогенные пневмококки могут изменять генетические свойства живых непатогенных пневмококков, превращая последние в патогенные. В 1945 микробиолог О.Эвери из Рокфеллеровского института в Нью-Йорке сделал важное открытие: он показал, что способность к генетической трансформации обусловлена переносом ДНК из одной клетки в другую, а следовательно, генетический материал представляет собой ДНК. В 1940-1950 Дж.Бидл и Э.Тейтум из Станфордского университета (шт. Калифорния) обнаружили, что синтез белков, в частности ферментов, контролируется специфическими генами. В 1942 Т.Касперсон в Швеции и Ж.Браше в Бельгии открыли, что нуклеиновых кислот особенно много в клетках, активно синтезирующих белки. Все эти данные наводили на мысль, что генетический материал - это нуклеиновая кислота и что она как-то участвует в синтезе белков. Однако в то время многие полагали, что молекулы нуклеиновых кислот, несмотря на их большую длину, имеют слишком простую периодически повторяющуюся структуру, чтобы нести достаточно информации и служить генетическим материалом. Но в конце 1940-х годов Э.Чаргафф в США и Дж.Уайатт в Канаде, используя метод распределительной хроматографии на бумаге, показали, что структура ДНК не столь проста и эта молекула может служить носителем генетической информации. Структура ДНК была установлена в 1953 М.Уилкинсом, Дж.Уотсоном и Ф.Криком в Англии. Это фундаментальное открытие позволило понять, как происходит удвоение (репликация) нуклеиновых кислот. Вскоре после этого американские исследователи А.Даунс и Дж.Гамов предположили, что структура белков каким-то образом закодирована в нуклеиновых кислотах, а к 1965 эта гипотеза была подтверждена многими исследователями: Ф.Криком в Англии, М.Ниренбергом и С.Очоа в США, Х.Кораной в Индии. Все эти открытия, результат столетнего изучения нуклеиновых кислот, произвели подлинную революцию в биологии. Они позволили объяснить феномен жизни в рамках взаимодействия между атомами и молекулами. Типы и распространение. Как мы уже говорили, есть два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК присутствует в ядрах всех растительных и животных клеток, где она находится в комплексе с белками и является составной частью хромосом. У особей каждого конкретного вида содержание ядерной ДНК обычно одинаково во всех клетках, кроме гамет (яйцеклеток и сперматозоидов), где ДНК вдвое меньше. Таким образом, количество клеточной ДНК видоспецифично. ДНК найдена и вне ядра: в митохондриях ("энергетических станциях" клеток) и в хлоропластах (частицах, где в растительных клетках идет фотосинтез). Эти субклеточные частицы обладают некоторой генетической автономией. Бактерии и цианобактерии (сине-зеленые водоросли) содержат вместо хромосом одну или две крупные молекулы ДНК, связанные с небольшим количеством белка, и часто - молекулы ДНК меньшего размера, называемые плазмидами. Плазмиды несут полезную генетическую информацию, например содержат гены устойчивости к антибиотикам, но для жизни самой клетки они несущественны. Некоторое количество РНК присутствует в клеточном ядре, основная же ее масса находится в цитоплазме - жидком содержимом клетки. Бльшую ее часть составляет рибосомная РНК (рРНК). Рибосомы - это мельчайшие тельца, на которых идет синтез белка. Небольшое количество РНК представлено транспортной РНК (тРНК), которая также участвует в белковом синтезе. Однако оба этих класса РНК не несут информации о структуре белков - такая информация заключена в матричной, или информационной, РНК (мРНК), на долю которой приходится лишь небольшая часть суммарной клеточной РНК. ^ Молекулы нуклеиновых кислот содержат множество отрицательно заряженных фосфатных групп и образуют комплексы с ионами металлов; их калиевая и натриевая соли хорошо растворимы в воде. Концентрированные растворы нуклеиновых кислот очень вязкие и слегка опалесцируют, а в твердом виде эти вещества белые. Нуклеиновые кислоты сильно поглощают ультрафиолетовый свет, и это свойство лежит в основе определения их концентрации. С этим же свойством связан и мутагенный эффект ультрафиолетового света. Длинные молекулы ДНК хрупки и легко ломаются, например при продавливании раствора через шприц. Поэтому работа с высокомолекулярными ДНК требует особой осторожности. Химическая структура. Нуклеиновые кислоты . это длинные цепочки, состоящие из четырех многократно повторяющихся единиц (нуклеотидов). Их структуру можно представить следующим образом: Символ Ф обозначает фосфатную группу. Чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты образуют сахарофосфатный остов молекулы, одинаковый у всех ДНК, а огромное их разнообразие обусловливается тем, что четыре азотистых основания могут располагаться вдоль цепи в самой разной последовательности. Сахаром в нуклеиновых кислотах является пентоза; четыре из пяти ее углеродных атомов вместе с одним атомом кислорода образуют кольцо. Атомы углерода пентозы обозначают номерами от 1. до 5?. В РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК. Дезоксирибозой, содержащей на один атом кислорода меньше. Фрагменты полинуклеотидных цепей ДНК и РНК показаны на рисунке. Моносахариды (пентоза) нуклеиновых кислот – рибоза и дезоксирибоза:  . В зависимости от типа пентозы различают два вида нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые (РНК) с рибозой, и дезоксирибонуклеиновые (ДНК) с дизоксирибозой. В образовании ДНК и РНК принимают участие 4 азоти- стых основания (пуриновые и пиримидиновые), которые не повторяют друг друга. В ДНК это аденин (А), гуанин (Г) тимин (Т) и цитозин (Ц); в РНК – аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У):  .Соединения азотистых оснований с пентозой называют нуклеозидами. Фосфорный эфир нуклеозида – нуклеотид (азотистое основание + + пентоза + одно или несколько остатков фосфорной кислоты) – мономерное звено нуклеиновых кислот. В нуклеиновых кислотах число нуклеотидов каждого вида равно числу соответствующих азотистых оснований. В 1950 г. американский биохимик Э. Чаргафф обнаружил ряд зако- номерностей в строении ДНК, получивших название правил Чаргаффа: • все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число пуриновых и пиримидиновых оснований; • все ДНК всегда содержат попарно равные количества аденина и тимина (А=Т), гуанина и цитозина (G=C); • во всех ДНК число азотистых оснований, с аминогруппами в положе- нии 4′ пиримидинового и 6′ пуринового ядер (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин): A+C=G+T. Позднее было установлено, что правила Чаргаффа выполняются с погрешностью до 3÷5%, т. е. отношение (G+C)/(A+T) может быть как больше, так и меньше единицы. Это послужило признаком подразделения ДНК на два основных типа: А&Т-тип с преобладанием аденина и тимина и G&C-тип с преобладанием гуанина и цитозина, а отношение (G+C)/(A+T), получило название коэффициента специфичности ДНК. В РНК в качестве азотистых оснований выступают аденин, урацил, гуанин и цитозин. И здесь имеются различия, хотя и весьма малые, в со- держании пуриновых и пиримидиновых оснований, однако указанные для ДНК закономерности здесь скорее носят характер тенденций – пра- вила Чаргаффа на РНК не распространяются. Ранее указывалось, что по функциональному назначению различа- ют три основных вида РНК − матричные (мРНК или иРНК), транспорт- ные (тРНК) и – рибосомные (рРНК). Отличаются они и по длине поли- менрой цепи. Так мРНК имеют молекулярный вес 3·104÷7·104, рРНК − порядка 2·106, а молекулярный вес самых коротких РНК − тРНК − 2·104, что соответствует примерно 80 нуклеотидам (для сравнения: в самых коротких цепях мРНК более 150 нуклеотидов). Таким образом, нуклеиновые кислоты представляют собой линейные неразветвленные полимерные цепи, а их первичная структура определяется последовательностью азотистых оснований. В биосистемах нук- леиновые кислоты хранят, воспроизводят и передают информацию в ви- де генетического кода –последовательности нуклеотидов. При делении клеток происходит репликация (самокопирование) ДНК. Проявление ге- нетической информации в виде тех либо иных наследственных призна- ков осуществляется посредством транскрипции (синтеза РНК на ДНК) и последующей трансляции (синтеза белков с участием разных типов РНК). Циклические нуклеотиды − универсальные регуляторы биохимических процессов. ^ Одна из основных функций нуклеиновых кислот состоит в детерминации синтеза белков. Информация о структуре белков, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, должна передаваться от одного поколения к другому, и поэтому необходимо ее безошибочное копирование, т.е. синтез точно такой же же молекулы ДНК (репликация). Репликация и транскрипция. С химической точки зрения синтез нуклеиновой кислоты - это полимеризация, т.е. последовательное присоединение строительных блоков. Такими блоками служат нуклеозидтрифосфаты; реакцию можно представить следующим образом: Энергия, необходимая для синтеза, высвобождается при отщеплении пирофосфата, а катализируют реакцию особые ферменты - ДНК-полимеразы. В результате такого синтетического процесса мы получили бы полимер со случайной последовательностью оснований. Однако большинство полимераз работает только в присутствии уже существующей нуклеиновой кислоты -матрицы, диктующей, какой именно нуклеотид присоединится к концу цепи. Этот нуклеотид должен быть комплементарен соответствующему нуклеотиду матрицы, так что новая цепь оказывается комплементарной исходной. Используя затем комплементарную цепь в качестве матрицы, мы получим точную копию оригинала. ДНК состоит из двух взаимно комплементарных цепей. В ходе репликации они расходятся, и каждая из них служит матрицей для синтеза новой цепи: Так образуются две новые двойные спирали с той же последовательностью оснований, что и у исходной ДНК. Иногда в процессе репликации происходит "сбой", и возникают мутации (см. также НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ). В результате транскрипции ДНК образуются клеточные РНК (мРНК, рРНК и тРНК): Они комплементарны одной из цепей ДНК и являются копией другой цепи, за исключением того, что место тимина у них занимает урацил. Таким способом можно получить множество РНК-копий одной из цепей ДНК. В нормальной клетке передача информации осуществляется только в направлении ДНК . ДНК и ДНК . РНК. Однако в клетках, инфицированных вирусом, возможны и другие процессы: РНК . РНК и РНК . ДНК. Генетический материал многих вирусов представлен молекулой РНК, обычно одноцепочечной. Проникнув в клетку-хозяина, эта РНК реплицируется с образованием комплементарной молекулы, на которой, в свою очередь, синтезируется множество копий исходной вирусной РНК: Вирусная РНК может транскрибироваться ферментом . обратной транскриптазой . в ДНК, которая иногда включается в хромосомную ДНК клетки-хозяина. Теперь эта ДНК несет вирусные гены, и после транскрипции в клетке может появиться вирусная РНК. Таким образом, спустя длительное время, в течение которого никакого вируса в клетке не обнаруживается, он снова в ней появится без повторного заражения. Вирусы, генетический материал которых включается в хромосому клетки-хозяина, часто являются причиной рака. Трансляция нуклеиновых кислот в белки. Генетическая информация, закодированная в нуклеотидной последовательности ДНК, переводится не только на язык нуклеотидной последовательности РНК, но и на язык аминокислот - мономерных единиц белков. Белковая молекула - это цепочка из аминокислот. Каждая аминокислота содержит кислую карбоксильную группу -COOH и оснвную аминогруппу-NH2. Карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с аминогруппой другой, образуя амидную связь, и этот процесс продолжается, пока не образуется цепь, содержащая до 1000 аминокислот (см. также БЕЛКИ). В белках присутствует 20 разных аминокислот, от последовательности которых зависят их природа и функции. Эта последовательность определяется нуклеотидной последовательностью соответствующего гена - участка ДНК, кодирующего данный белок. Однако сама ДНК не является матрицей при синтезе белка. Сначала она транскрибируется в ядре с образованием матричной РНК (мРНК), которая диффундирует в цитоплазму, и на ней как на матрице синтезируется белок. Процесс ускоряется благодаря тому, что на каждой молекуле мРНК может одновременно синтезироваться множество белковых молекул. Репликация нуклеиновых кислот осуществляется благодаря образованию водородных связей между комплементарными основаниями исходной и дочерней цепей. Аминокислоты не образуют водородных связей с основаниями, так что прямое копирование матрицы невозможно. Они взаимодействуют с матрицей опосредованно, через "адапторные" нуклеиновые кислоты - небольшие молекулы транспортных РНК (тРНК), состоящие примерно из 80 оснований и способные связываться с мРНК. Каждая тРНК содержит специфическую последовательность из трех оснований, антикодон, который комплементарен группе из трех оснований, кодону, в мРНК. Антикодоны взаимодействуют с кодонами по правилу комплементарности, примерно так же, как взаимодействуют две цепи ДНК. Таким образом, последовательность оснований в мРНК определяет порядок присоединения тРНК, несущих аминокислоты. Схематически перенос информации от ДНК к белку можно представить следующим образом: Последовательность оснований в ДНК задает порядок следования аминокислот в белке, поскольку каждая аминокислота присоединяется специфическим ферментом только к определенным тРНК, а те, в свою очередь, - только к определенным кодонам в мРНК. Комплексы тРНК-аминокислота связываются с матрицей по одному в каждый данный момент времени. Ниже перечислены основные этапы белкового синтеза (см. также рисунок). 1. Ферменты, называемые аминоацил-тРНК-синтетазами, присоединяют аминокислоты к соответствующим тРНК. Таких ферментов 20, по одному для каждой аминокислоты. 2. Молекула мРНК присоединяется своим первым кодоном к небольшой частице, называемой рибосомой. Рибосомы состоят из примерно равных количеств рРНК и белка. Структура и функция рибосом весьма сложны, но главная их задача - облегчение взаимодействия мРНК и тРНК и ускорение полимеризации аминокислот, связанных с разными тРНК. 3. тРНК, нагруженная аминокислотой, связывается с соответствующим кодоном мРНК, которая, в свою очередь, контактирует с рибосомой. Образуется комплекс рибосома-мРНК-тРНК-аминокислота. 4. мРНК, подобно ленте на конвейере, продвигается по рибосоме на один кодон вперед. 5. Следующая тРНК, нагруженная аминокислотой, присоединяется ко второму кодону. 6. Первая и вторая аминокислоты связываются между собой. 7. Первая тРНК отсоединяется от комплекса, и теперь вторая тРНК несет две аминокислоты, связанные между собой. 8. мРНК снова продвигается на один кодон вперед, и все события повторяются, а растущая аминокислотная цепь удлиняется на одну аминокислоту. Процесс продолжается, пока не будет достигнут последний, "стоп"-кодон и последняя тРНК не отделится от готовой белковой цепи. В бактериальных клетках цепь из 100-200 аминокислот собирается за несколько секунд. В животных клетках этот процесс занимает около минуты. Генетический код. Итак, каждая аминокислота в белке опосредованно детерминируется определенным кодоном (группой из 3 оснований) в мРНК и в конечном счете в ДНК. Поскольку в нуклеиновых кислотах имеется четыре вида оснований, число возможных кодонов составляет 4?4?4 = 64. Соответствие между кодонами и аминокислотами, которые они кодируют, называется генетическим или биологическим кодом. Это соответствие было установлено опытным путем: к разрушенным клеткам добавляли синтетические полинуклеотиды известного состава и смотрели, какие аминокислоты включаются в белки. Позднее появилась возможность прямо сравнить последовательности аминокислот в вирусных белках и оснований в вирусных нуклеиновых кислотах. Чрезвычайно интересно, что генетический код, за редкими исключениями, одинаков для всех организмов - от вирусов до человека. Одно из таких исключений составляют изменения в генетическом коде, используемом митохондриями. Митохондрии . это небольшие автономные субклеточные частицы (органеллы), присутствующие во всех клетках, кроме бактерий и зрелых эритроцитов. Предполагают, что когда-то митохондрии были самостоятельными организмами; проникнув в клетки, они со временем стали их неотъемлемой частью, но сохранили некоторое количество собственной ДНК и синтезируют несколько митохондриальных белков. Лекция 6 Строение и свойства углеводов. Липиды и липидные структуры 6.1 Строение и свойства углеводов 6.2 Липиды и липидные структуры ^ Термин "углеводы", предложенный в XIX столетии, был основан на предположении, что все углеводы содержат 2 компонента - углерод и воду, и их элементарный состав можно выразить общей формулой Cm(H2O)n. Хотя из этого правила есть исключения и оно не абсолютно точно, тем не менее указанное определение позволяет наиболее просто характеризовать класс углеводов в целом. К тому же попытка, предпринятая Комиссией по химической номенклатуре, заменить термин "углеводы" на "глициды" не удалась. Новый термин не получил широкого признания. Термин "углеводы" укоренился и общепризнан. Углеводы можно разделить на 3 основные группы в зависимости от количества составляющих их мономеров: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. ^ Моносахариды - производные многоатомных спиртов, содержащие карбонильную группу. В зависимости от положения в молекуле карбонильной группы моносахариды подразделяют на альдозы и кетозы. Альдозы содержат функциональную альдегидную группу -НС=О, тогда как кетозы содержат кетонную группу >С=О. Название моносахарида зависит от числа составляющих его углеродных атомов, например альдотриозы, кетотриозы, альдогексозы, кетогексозы и т.д. Моносахариды по строению можно отнести к простым углеводам, так как они не гидролизуются при переваривании, в отличие от сложных, которые при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов. Строение основных представителей моносахаридов показано на рисунок 6.1. В пище человека (фрукты, мёд, соки) содержится небольшое количество моносахаридов, в основном глюкоза и фруктоза. Глюкоза является альдогексозой. Она может существовать в линейной и циклической формах. Циклическая форма глюкозы, предпочтительная в термодинамическом отношении, обусловливает химические свойства глюкозы. Как и все гексозы, глюкоза имеет 4 асимметричных углеродных атома, обусловливающих наличие сте-реоизомеров. Возможно образование 16 стереоизомеров, наиболее важные из которых D- и L-глюкоза. Эти типы изомеров зеркально отображают друг друга. Расположение Н- и ОН-групп относительно пятого углеродного атома определяет принадлежность глюкозы к D- или L-ряду. В организме млекопитающих моносахариды находятся в D-конфигурации, так как к этой форме глюкозы специфичны ферменты, катализирующие её превращения. В растворе при образовании циклической формы моносахарида образуются ещё 2 изомера (α- и β-изомеры), называемые аномерами, обозначающие определённую конформа-цию Н- и ОН-групп относительно С. У α-D-глюкозы ОН-группа располагается ниже плоскости кольца, а у β-D-глюкозы, наоборот, над плоскостью кольца. Фруктоза является кетогексозой (кетогругша находится у второго углеродного атома). Фруктоза так же, как и глюкоза, существует в циклической форме, образуя α- и β-аномеры. ^ Присутствие гидроксильных, альдегидных и кетонных групп позволяет моносахаридам вступать в реакции, характерные для спиртов, альдегидов или кетонов. Эти реакции довольно многочисленны. В данном разделе будут описаны лишь некоторые из них, причём в основном имеющие наибольшее биологическое значение. В этом разделе основные реакции моносахаридов рассмотрены на примере D-глюкозы (рисунок 6.2), хотя надо иметь в виду, что в метаболизме углеводов принимают участие и другие моносахариды, а также их производные. ^ взаимопревращение аномерных форм моносахаридов, α- и β-формы аномеров находятся в растворе в состоянии равновесия. При достижении этого равновесия происходит мутаротация - размыкание и замыкание пиранового кольца и, соответственно, изменение расположения Н- и ОН-групп при первом углероде моносахарида. ^ Гликозидная связь имеет важное биологическое значение, потому что именно с помощью этой связи осуществляется ковалентное связывание моносахаридов в составе олиго- и полисахаридов. При образовании гликозидной связи аномерная ОН-группа одного моносахарида взаимодействует с ОН-группой другого моносахарида или спирта.  Рисунок 6.1 – Важнейшие моносахариды При этом происходят отщепление молекулы воды и образование О-гликозидной связи. Все линейные олигомеры (кроме дисахаридов) или полимеры содержат мономерные остатки, участвующие в образовании двух гликозидных связей, кроме концевых остатков, образующих только одну гликозидную связь. Некоторые гликозидные остатки могут образовывать три гликозидные связи, что характерно для разветвлённых олиго- и полисахаридов. Олиго- и полисахариды могут иметь концевой остаток моносахарида со свободной аномерной ОН-группой, не использованной при образовании гликозидной связи. В этом случае при размыкании цикла возможно образование свободной карбонильной группы, способной окисляться.  Рисунок 6.2 – Реакции моносахаридов. Такие олиго- и полисахариды обладают восстанавливающими свойствами и поэтому называются восстанавливающими, или редуцирующими (рисунок 6.3). Аномерная ОН-группа моносахарида может взаимодействовать с NН2-группой других соединений, что приводит к образованию N-гликозидной связи. Подобная связь присутствует в нуклеотидах и гликопротеинах (рисунок 6.4). Этерификация. Это реакция образования эфирной связи между ОН-группами моносахаридов и различными кислотами. В метаболизме углеводов важную роль играют фосфоэфиры - эфиры моносахаридов и фосфорной кислоты.  A. Образование α-1,4- и α-1,6-гликозидных связей. Б. Строение линейного полисахарида: 1 - α-1,4-гликозидные связи между мономерами; 2 - невосстанавливающий конец (невозможно образование свободной карбонильной группы у аномерного углерода); 3 - восстанавливающий конец (возможно размыкание цикла с образованием свободной карбонильной группы у аномерного углерода). Рисунок 6.3 – Строение полисахарида. В метаболизме глюкозы особое место занимает глюкозо-6-фосфат. Образование глюкозо-6-фосфата происходит в ходе АТФ-зависимой реакции при участии ферментов, относящихся к группе киназ. АТФ в данной реакции выступает как донор фосфатной группы. Фосфоэфиры моносахаридов могут образовываться и без использования АТФ. Например, глюкозо-1-фосфат образуется из гликогена при участии Н3РО4. Физиологическое значение фос-фоэфиров моносахаридов заключается в том, что они представляют собой метаболически активные структуры. Реакция фосфорилирования моносахаридов важна для метаболизма ещё и потому, что клеточная мембрана мало проницаема для этих соединений, т.е. клетка удерживает моносахариды благодаря тому, что они находятся в фосфорилированной форме.  1 - N-гликозидная связь между амидной группой аспарагина и ОН-группой моносахарида; 2 - О-гликозидная связь между ОН-группой серина и ОН-группой моносахарида. Рисунок 6.4 – Образование О- и N-гликозидных связей в гликопротеинах. ^ При окислении концевых групп глюкозы -СНО и -СН2ОН образуются 3 различных производных. При окислении группы -СНО образуется глюконовая кислота. Если окислению подвергается концевая группа -СН2ОН, образуется глюкуроновая кислота. А если окисляются обе концевые группы, то образуется сахарная кислота, содержащая 2 карбоксильные группы. Восстановление первого углерода приводит к образованию сахароспир-та - сорбитола. Олигосахариды Олигосахариды содержат несколько (от двух до десяти) остатков моносахаридов, соединённых гликозидной связью. Дисахариды - наиболее распространённые олигомерные углеводы, встречающиеся в свободной форме, т.е. не связанной с другими соединениями. По химической природе дисахариды представляют собой гликозиды, которые содержат 2 моносахарида, соединённые гликозидной связью в α- или β-конфигурации. В пище содержатся в основном такие дисахариды, как сахароза, лактоза и мальтоза (рисунок 6.5). Сахароза - дисахарид, состоящий из α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, соединённых α,β-1,2-гликозидной связью. В сахарозе обе аномерные ОН-группы остатков глюкозы и фруктозы участвуют в образовании гликозидной связи. Следовательно, сахароза не относится к восстанавливающим сахарам. Сахароза - растворимый дисахарид со сладким вкусом. Источником сахарозы служат растения, особенно сахарная свёкла, сахарный тростник. Последнее объясняет возникновение тривиального названия сахарозы - "тростниковый сахар". Лактоза - молочный сахар; важнейший дисахарид молока млекопитающих. В коровьем молоке содержится до 5% лактозы, в женском молоке - до 8%. В лактозе аномерная ОН-группа первого углеродного атома остатка D-галактозы связана β-гликозидной связью с четвёртым углеродным атомом D-глюкозы (β-1,4-связь). Поскольку аномерный атом углерода остатка глюкозы не участвует в образовании гликозидной связи, следовательно, лактоза относится к восстанавливающим сахарам. Мальтоза поступает с продуктами, содержащими частично гидролизованный крахмал, например, солод, пиво. Мальтоза также образуется при расщеплении крахмала в кишечнике. Мальтоза состоит из двух остатков D-глюкозы, соединённых α-1,4-гликозидной связью. Изомальтоза - промежуточный продукт, образующийся при расщеплении крахмала в кишечнике. Состоит из двух остатков D-глюкозы, но соединены эти моносахариды α-1,6-гликозидной связью. Полисахариды Структурные различия между полисахаридами определяются:
В зависимости от строения остатков моносахаридов полисахариды можно разделить на гомополисахариды (все мономеры идентичны) и гетерополисахариды (мономеры различны). Оба типа полисахаридов могут иметь как линейное расположение мономеров, так и разветвлённое.  Рисунок 6.5 – Дисахариды пищи. В зависимости от выполняемых ими функций полисахариды можно разделить на 3 основные группы:
В пище человека в основном содержатся полисахариды растительного происхождения - крахмал, целлюлоза. В меньшем количестве поступает полисахарид животных - гликоген. Крахмал - наиболее важный углеводный компонент пищевого рациона. Это резервный полисахарид растений, содержащийся в наибольшем количестве (до 45% от массы сухого вещества) в зёрнах злаков (пшеница, кукуруза, рис и др.), а также луковицах, стеблях и клубнях растений (в картофеле примерно 65%). Крахмал - разветвлённый полисахарид, состоящий из остатков глюкозы (гомогликан). Он находится в клетках растений в виде гранул, практически нерастворим в воде. Крахмал состоит из амилозы и амилопектина (рисунок 6.6). Амилоза - неразветвлённый полисахарид, включающий 200-300 остатков глюкозы, связанных α-1,4-гликозидной связью. Благодаря α-конфигурации глюкозного остатка, полисахаридная цепь имеет конформацию спирали. Синяя окраска при добавлении йода к раствору крахмала обусловлена наличием такой спирали. Амилопектин имеет разветвлённую структуру. В местах ветвления остатки глюкозы соединены α-1,6-гликозидными связями. Линейные участки содержат примерно 20-25 остатков глюкозы. При этом формируется древовидная структура, в которой имеется лишь одна аномерная ОН-группа. Крахмал - высокомолекулярное соединение, включающее сотни тысяч остатков глюкозы. Его молекулярная масса составляет порядка 105-108 Д. Целлюлоза (клетчатка) - основной структурный полисахарид растений. Это самое распространённое органическое соединение на земле. Доля целлюлозы в клеточных стенках растений составляет 40-50%. Целлюлоза имеет молекулярную массу порядка 106 Д, длина молекулы может доходить до 6-8 мкм. Целлюлоза - линейный полисахарид гомогликан, построенный из остатков глюкозы, соединённых между собой β-1,4-гликозидными связями. Пищеварительная система человека не имеет ферментов, гидролизующих β-связи в полисахаридах. Поэтому целлюлоза - неиспользуемый углевод, но этот пищевой компонент необходим для нормального протекания переваривания. Гликоген - полисахарид животных и человека. Так же, как крахмал в растениях, гликоген в клетках животных выполняет резервную функцию, но, так как в пище содержится лишь небольшое количество гликогена, он не имеет пищевого значения.  Рисунок 6.6 – Строение крахмала. Гликоген представляет собой структурный аналог крахмала, но имеет большую степень ветвления: примерно на каждые 10 остатков глюкозы приходится одна α-1,6-гликозидная связь. ^ Липиды − главные компоненты биомембран. Они играют роль запасного материала и энергоносителя (пищи). Посредством липидов осуществляется транспорт веществ и его регуляция, передача биосигналов. Они являются иммуномодуляторами, регуляторами ферментативной активности, эндогормонами и т.д. Полисахариды − высокомолекулярные органические полимерные соединения класса углеводов, образованные остатками моносахаридов или их производных, связанных гликозидными связями. Полисахариды подразделяются на гомополисахариды (гомогликаны), построенные из остатков моносахаридов одного типа, и гетерополисахариды (гетерогли- каны), с состав которых входят различные моносахариды. В отличие от других биополимеров, классов полисахариды могут образовывать не только линейные, так и разветвленные полимерные цепи. Основные представители линейных гомополисахаридов – крахмал и целлюлоза. Крахмал образуется при полимеризации α-глюкозы, а цел- люлоза – β-глюкозы. Обе формы глюкозы и имеют одинаковую химиче- скую формулу – (C6H10O5)n и являются структурными изомерами, отли- чающимися лишь положением одной гидроксильной группы (рисунок 6.1). Следует отметить, что шестичленный цикл глюкозы, образованный sp3- ГАО, не может быть плоским и иметь внутренние валентные углы 120o. В результате поворотов по σ- связям цикл приобретает наиболее энергетически выгодную форму "кресла" с валентными углами 109o28' (рисунок 6.2). Пространственная и структурная изомерия и определяет специфику свойств α- и β-глюкозы.  Рисунок 6.1 − Пространственные формы изомеров глюкозы Структурные фрагменты типичных линейных полисахаридов − крахмала и целлюлозы − показаны на рисунке 9.2.  Рисунок 6.2 − Структурные фрагменты крахмала и целлюлозы Полисахариды составляют основную массу органического вещест- ва в биосфере. Они присутствуют во всех организмах, выполняя функции запасных, опорных, защитных веществ, участвуют в иммунных реакци- ях, обеспечивают сцепление клеток в тканях растений и животных. В клетках полисахариды находятся в комплексах с белками и липидами. Липиды − обширная группа различных по химическому составу, структуре и функциональному назначению, но сходных по физико- химическим свойствам природных органических соединений (жирных кислот и их производных), содержащих высшие алкильные радикалы. Липиды нерастворимы в воде, растворимы в ацетоне, эфире, хлорофор- ме, бензоле и других так называемых жировых растворителях (преиму- щественно неполярных). По различию в химическом строении различа- ют три типа липидов − простые липиды, сложные липиды и оксилипины или эйкозаноиды. Простые липиды представлены жирными кислотами и их произ- водных. Жирные кислоты − это карбоновые кислоты с достаточно длин- ной алифатической цепью (известно более 800 природных жирных ки- слот). Большинство из них монокарбоновые кислоты с четным числом атомов углерода (от 12 до 20) в линейной углеводородной цепи: [−СН=СН−СН2−СН=СН−]n. Достаточно большая группа жирных кислот содержит от 18 до 20 атомов углерода, и гораздо реже встречаются кислоты с длиной цепи, содержа- щей менее 12 атомов углерода. К насыщенным относят жирные кислоты с углеродной цепью, со- держащей только одиночные связи CH3−(CH2)n−COOH. Мононенасыщенные жирные кислоты содержат одну двойную связь CH3−(CH2)m−CH=CH−(CH2)n−COOH, а полиненасыщенным (би-, три-, тетра- и т.д.) относят жирные кислоты, у которых имеется не менее двух двойных связей CH3−(CH2)m−[CH=CH−(CH2)]k−(CH2)n−COOH. Следующую важную группу простых липидов представляют про- изводные жирных кислот: спирты R−CH2−OH, альдегиды R−COH и сфингозиновые основания R−CH(OH)−CH(NH2)−CH2OH. Простые липиды являются “строительным материалом” для сложных липидов. Свойства сложных липидов определяются наличием или отсутствием в них полярных групп (−ОН, −NН2, −СООН и др.), что в свою очередь определяет их подразделение на полярные и неполярные липиды. Типичными представителями неполярных сложных липидов являются воски − сложные эфиры высших нормальных монокарбоновых ки- слот и высших первичных одноатомных спиртов  . К ним также относятся этаноламиды жирных кислот R−CO−ΝΗ−(CH2)2−OН, и жиры − сложные эфиры типичного представителя трехатомных спир- тов − глицерина C3H5(OH)3 и одноосновных жирных кислот (триглице- риды). Они являются одним один из главных компонентов клеток. Для природных жиров характерно наличие трех различных кислотных ради- калов R′, R′′ и R′′′, имеющих неразветвлённую структуру и, как правило, чётное (от 14 до 24) число атомов углерода. Структура триглицеридов может быть представлена в общем виде формулой  . Физико-химические свойства жиров в существенной степени зави- сят от соотношения входящих в их состав насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Полярные липиды в свою очередь делят на фосфолипиды, сфинго- липиды и гликолипиды. Общим признаком фосфолипидов является на- личие у них остатка фосфорной кислоты, образующего сложноэфирную связь с гидроксильной группой глицерина. Простейшая форма фосфоли- пидов − фосфатидовые кислоты, которые образуются при присоединении двух жирных кислот (в общем случае различных) и одной фосфатной группы к глицерину, например  . Более сложные фосфолипиды образуются при взаимодействии фосфорнокислотного остатка с гидроксильными группами амино- и по- лиспиртов с образованием сложноэфирных связей. В качестве примера такого типа липидов можно привести основной структурный компонент всех клеточных мембран фосфатидилхолин (лейцин)  . В качестве липидообразующих кроме глицерина может выступать двухатомный непредельный аминоспирт ациклического ряда сфингозин и его ацил-производное церамид (керамид):  Сложные липиды, в состав которых входит сфингозин – сфигноли- пиды, содержатся в биологических мембранах, в оболочках нервных волокон и др. Сфингозин также участвует в образовании гликолипидов, обра- зующихся при присоединении к нему остатка жирной кислоты и олиго- сахарида. В отличие от фосфо- и сфинголипидов, в гликолипидах отсутствует фосфатная группа. Третью группу липидов представляют оксилипины – продукты ок- сигенирования полиненасыщенных жирных кислот. Важнейшие в живых организмах высшие жирные кислоты с 20 атомами углерода в цепи и имеющие в своей структуре несколько двойных связей получили назва- ние эйкозаполиеновых кислот. Продуктами их метаболизма являются главные оксилипины – эйкозаноиды − простагландины, простациклины, тромбоксаны и лейкотриены. Многие эйкозаноиды – метаболиты арахи- доновой кислоты CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COOH. Лекция 7 Строение и физические свойства мембран клеток 7.1 Мембрана клетки 7.2 Структура мембран клеток 7.3 Свойства мембран клеток ^ Неклеточные формы жизни не существуют на Земле. Вирусы и бактериофаги не могут рассматриваться как самостоятельные живые системы — из всех функций живой клетки они обладают лишь способностью передавать генетическую программу. Напротив, основные характеристики жизни присущи как одноклеточным организмам, так и подавляющему большинству типов специализированных клеток многоклеточных. Строение и поведение отдельных клеток настолько сложно, что оказывается возможным формулировать проблемы поведения на клеточном уровне, проблемы цитоэтологии (Александров, 1970). Построение надмолекулярной биологии начинается с изучения живой клетки. Биофизика клетки стремится провести рассмотрение клетки, пользуясь экспериментальными и теоретическими моделями, к которым применимы физические подходы. Важнейшие физические и физико-химичсскис функции клетки состоят в химическом метаболизме и биосинтезе, в биоэнергетических процессах запасания энергии и ее преобразования при реализации электро- и механохимических процессов и регулируемого транспорта молекул и ионов. Как мы видели, запасание энергии происходит главным образом в форме АТФ — химическая энергия АТФ трансформируется в химическую, электрическую, осмотическую и механическую работу. Биосинтетическая и биоэнергетическая функции неразрывно связаны; они реализуются лишь в открытой неравновесной системе. Соответственно эти функции сопряжены с транспортом вещества из окружающей среды в клетку и из клетки в окружающую среду. Сочетание транспорта вещества с сохранением и автономностью внутреннего устройства клетки осуществляется единственным возможным способом — для выполнения своих функций клетка как целое отделена от внешней среды полупроницаемой перегородкой. Каждая клетка окружена плазматической мембраной. Появление клеточной мембраны, по-видимому, было важным этапом в возникновении жизни — компартментация, отделение внутриклеточного пространства от внешнего мира, определяла решительное ускорение добиологической и биологической эволюции, С другой стороны, тонкая регуляция внутриклеточных процессов осуществляется на основе пространственного разделения органоидов клетки. Внутриклеточные мембраны служат для ком- партментации внутреннего содержимого клетки. Биологические мембраны — надмолекулярные системы, протяженность которых в двух измерениях значительно превосходит их толщину, имеющую порядок 10 нм. Однако все механизмы, ответственные за биологическую функциональность мембраны, локализованы именно в ее толще. Мембраны не являются пассивными полупроницаемыми оболочками, но принимают прямое и очень важное участие во всех функциях клетки. Мембраны обеспечивают активный транспорт вещества, идущий в направлении, противоположном градиенту химического или электрохимического потенциала. В мембранах локализованы основные биоэнергетические процессы — окислительное фосфорилирование и фотосинтез. АТФ синтезируется в мембранах митохондрий, в тилакоидных мембранах хлоропластов зеленых растений. Есть основания думать о связи между рибосомами, на которых синтезируется белок, и мембранной системой эндоплазматического ретикулума. Репликация ДНК и хромосом, по-видимому, происходит с участием мембран. К важнейшим биоэнергетическим процессам относятся явления биоэлектрические — генерация биопотенциалов. Распространение нервного импульса есть мембранный процесс. Рецепция — механическая, акустическая, обонятельная, вкусовая, зрительная — происходит с непременным участием мембран. Из сказанного следует, что физика мембран — одна из центральных областей биофизики. Мембранная физика и биология имеют фундаментальное значение и для теоретической науки, и для ее приложений в медицине и фармакологии. Биологические мембраны, наряду с цитоскелетом, формируют структуру живой клетки. Клеточная или цитоплазматическая мембрана окружает каждую клетку. Ядро окружено двумя ядерными мембранами: наружной и внутренней. Все внутриклеточные структуры: митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, фагосомы, синаптосомы и т.д. представляют собой замкнутые мембранные везикулы (пузырьки). Каждый тип мембран содержит специфический набор белков - рецепторов и ферментов; но основа любой мембраны - бимолекулярный слой липидов (липидный бислой), который во всякой мембране выполняет две главные функции: барьера для ионов и молекул и структурной основы (матрицы) для функционирования рецепторов и ферментов. ^ Биологическая мембрана есть динамическая организованная система; необходимо исследовать как ее устройство, так и динамику ее поведения. Мембраны состоят в основном из липидов и белков. В клетках млекопитающих содержатся и небольшие количества углеводов, связанных с белками (гликопротейды) или с липидами. Во внутренних мембранах присутствуют в основном фосфолиии- ды, в плазматических содержатся п нейтральные липиды. Так,, в мембранах эритроцитов 30% липидов составляет холестерин Выделение из мембран индивидуальных компонентов производится с помощью детергентов (например, додецилсульфата натрия), солюбилизирующих нерастворимые вещества, и разделения полученных белков путем электрофореза в нолиакриламид- ном геле. В большинстве случаев мембраны весьма гетерогениы. Фос- фолипиды и липиды представлены в них целыми семействами. Так, в мембранах эритроцитов человека содержится пе менее 20 видов лецитина. Липиды построены из полярной «головы» и двух длинных неполярных углеводородных «хвостов», обладающих гидрофобными свойствами. Белки мембран также разнообразны. Около трети белков мембраны эритроцита образует спектрин, состоящий из двух компонентов с м. м. 255 000 и 220 000. Вторая треть — ряд бел ко» с м. м. около 90 000 и третья — белки с м. м. 9 000—15 000. Существуют и мембраны более простого состава — внутренние мембраны палочек сетчатки содержат лишь один белок — родопсин (см. § 14.7). Еще в 1935 г. Даииэлли и Давсон предложили так называемую унитарную модель биологической мембраны. Унитарная мембрана состоит из двойного липидного слоя, причем гидрофобные «хвосты» липидов обращены внутрь мембраны, а их «головы» выходят на поверхность, где они взаимодействуют с внешними мономолекулярными белковыми слоями (рисунок 7.1). Основным источником информации о строении клеток и клеточных мембран служит электронная микроскопия. Для получения снимков препараты оттеняются 0s04, KMn04 и т. п. Химия происходящих при этом процессов еще недостаточно изучена; неясно также, что происходит при выделении мембран и подготовке препаратов. Здесь не исключены артефакты. Тем не менее основной принцип построения унитарной мембраны — двуслойное расположение липидов — правилен. Это доказывается и рентгенографическими данными. Что касается белков, то их рас-положение отличается от предполагаемого в симметричной унитарной модели, согласно которой мембранные белки имеют гидрофильные поверхности, взаимодействующие с полярными «головами» липидов. Были проведены исследования выделенных мембранных белков ц мембран косвенными методами — воздействием на них протеолитических ферментов и включением в мембранные белки различных меток. Оказалось, что белки мембран можно разделить на два класса. Одни из них связываются только поверхностями мембраны; подобно глобулярным белкам, функционирующим в водном окружении, они имеют гидрофильную поверхность. Белки второго класса способны проникать в мембрану, взаимодействуя с гидрофобными «хвостами» липидов. Эти белки нерастворимы в воде, их поверхности гидрофобны. Исследования мембран методами инфракрасной спектроскопии, спе- ктрополяриметрии, ЯМР и т. д. указывают на разнообразие белковых структур и на межбелковые взаимодействия, не учитываемые в унитарной модели. Установлено, что белки распределены в мембранах асимметрично (Бергельсон, 1970). Важные результаты получены методом скалывания в замороженном состоянии (freeze etching). Мембраны быстро замораживают при температуре жидкого азота и дробят в вакууме. Лед сублимируется, образец оттеняют, реплицируют платиной и углеродом и исследуют под электронным микроскопом. Выяснилось, что излом проходит вдоль внутренней гидрофобной области мембраны эритроцита. При этом обнаружились глобулярные частицы диаметром до 7.5 нм. Эти частицы — белки.  Рисунок 7.1 – Унитарная модель биологической мембраны. Кружки – полярные «головы», прямоугольники – неполярные «хносты» липидов Унитарная модель не раз модифицировалась. В настоящее время наиболее правдоподобной представляется мозаичная модель мембраны, показанная на рисунок 7.2. Билипидный слой фигурирует и в этой модели. Действительно, искусственные ли- пидные мембраны, имеющие двуслойное строение, оказались во многих отношениях сходными с биологическими мембранами. Искусственные мембраны получаются при контакте смеси фос- фолипидов и нейтральных липидов, растворенных в органических растворителях, с водой. При этом можно получить «черные» мембраны, т. е. тонкие слои, лишенные интерференционных цвеов, имеющие толщину менее 10 нм. Установлено, что эти мембраны имеют указанное двуслойное строение.  Рисунок 7.2. Современная схема строения клеточной мембраны: а – з – глобулярные белки, и – гликолипид, к – фосфолипид, л – а-спиральный белок, м – боковая цепь олигосахарида Искусственные мембраны лишены метаболической активности и не обладают столь высокой селективностью, как биологически мембраны. Вместе с тем они моделируют важные свойства биомембран, позволяют изучать и транспорт вещества, и возбудимость. Установлено, что в системах липиды — вода образуются жидкокристаллические структуры сложного и разнообразного строе ния, с дальним порядком. Эти системы представляют самостоятельный научный интерес. Есть основания думать, что многофазность липидных систем имеет прямое отношение к функциям биологических мембран. ^ Рассмотрим динамические свойства мембран. Ряд фактов-- свидетельствует о высокой подвижности билипидного слоя. Ли— пиды в мембране ведут себя подобно жидким кристаллам. Именно в жидком кристалле реализуется сочетание высокой упорядоченности с текучестью и лабильностью. Это сочетание обеспечивает выполнение мембранами их важных функций. Жидкокристаллические (жидкостные) свойства мембран определяются jeM, что липиды в них находятся при физиологической температуре в расплавленном состоянии. Температура плавления углеводорода тем ниже, чем больше двойных связей он содержит (этим определяется различие между животными и растительными маслами). Липиды, содержащие в углеводородных цепях двойные связи, плавятся при температурах ниже физиологических. В плазматических мембранах млекопитающих доля таких липидов велика.  Рисунок 7.3 – Спектры ЭПР спин-меченой молекулы липида в мембране: 1 — 77 К,2 — 300 К Жидкостные свойства мембран доказываются многими фактами. Подвижность мембранной структуры обнаруживается с- помощью парамагнитных и флуоресцентных меток, а также методом ЯМР. На рис. 10.3 показан спектр ЭПР мембраны, меченной нитроксильными метками, присоединенными к липидным «хвостам». При низкой температуре липид заморожен, при высокой спектр обостряется и становится богаче, так как липид расплавлен и нитроксил приобретает быстрое анизотропное движение. Особенно детально изучены жидкокристаллические свойства, фоторецепторных мембран, содержащих белок родопсин (§ 14.7)». Одна молекула родопсина в мембране приходится на 60—90 молекул липидов. из которых 80% содержат ненасыщенную жирную кислоту. Методом вспьппечной фотометрии установлено, что молекула родопсина быстро вращается вокруг оси, перпендикулярной к плоскости мембраны. Время такой вращательной диффузии 20 мкс при 20 °С. Изучение выцветания родопсина на свету методом микроспектрофотометрии показало, что в мембране происходит трансляционная латеральная диффузия родопсина. Коэффициент диффузии равен (3.5 ± 1,5) • Ю-9 см2с-1, что соответствует вязкости от 0,1 до 0,4 П. Близкое значение имеет- вязкость мембран клеток млекопитающих, определенная по трансляционной диффузии, и мембран митохондрий и нервных аксонов. Таким образом, вязкость мембран на два или три порядка выше вязкости воды и соответствует вязкости растительного масла. Известны и более вязкие мембраны. Устройство мембраны, показанное на рис. 10.2, таково, что белки как бы плавают в «липидном море». Их молекулы погружены с двух сторон мембраны на разную глубину в двойной слой подвижных углеводородных «хвостов» липидов. Имеются белки, проходящие через всю мембрану. Значительная часть поверхности мембраны свободна от белков: так, белки занимают 70% поверхности мембраны эритроцита и 80% поверхности мембраны микросомы. Транспорт малых ионов и молекул происходит по каналам в мембранах. В устройстве и функционировании каналов особенно существенна роль белков. Природа каналов— важная проблема физики мембран. Ряд фактов свидетельствует о конформационных переходах в мембранах. Структурные изменения обнаруживаются при помощи флуоресцентных и парамагнитных меток, при измерении .двойного лучепреломления и рассеяния света, методом кругового дихроизма. В мембранах наблюдаются фазовые переходы — плавление липидов. Такой переход происходит вблизи 0"С при нагревании мембран митохондрий и микросом от — 40 °С. С помощью спин-меток в суспензии плазматических мембран, выделенных из фибробластов мыши, найдены температуры латерального разделения фаз в липидах. Для внешнего монослоя липидов такие переходы наблюдаются при 15 и 31 °С, для внутреннего — при 21 и 37 °С. Подвижность мембранных липидов и фазовые переходы в них определяются их конформационными свойствами. Плавление липидов происходит путем поворотной изомеризации углеводородных цепей—это конформационное плавление. Насыщенные углеводороды, парафины, кристаллизуются в форме сплошных транс- ротамеров. При плавлении наряду с транс- появляются свернутые, или гош-, ротамеры. В жидких парафинах их .доля составляет около 10%- Это относится и к углеводородным ^хвостам» в липидах. На рисунок 7.4 показаны изменения с температурой теплоемкости и энтальпии раствора липида — дипальмитоил-а-лецитина. Наблюдаются два фазовых перехода — при 34 °С и особенно резкий при 41 °С. Рентгенограмма при температуре ниже перехода «содержит резкие дифракционные кольца, отвечающие расстоянию между цепями 0,48 нм. При температуре выше температуры перехода наблюдается диффузное кольцо, отвечающее межцеп- иому расстоянию 0,53 нм. Построена статистическая механика двуслойных фосфолипид- ных мембран, учитывающая ротамеризацию и межцепные стери- ческие ограничения. Если принять разность энергий ротамеров АЕ « 2,5 кДж/моль, получаются согласные с опытом изменения энтальпии и энтропии при плавлении двуслойного липида. Трейбле (1971) предложил теорию транспорта молекул через липидную мембрану, основанную на тех же представлениях о ротамеризации углеводородных цепей. Свернутые {гош-) рота меры трактуются как подвижные структурные дефекты — «кг/м* ки», определяющие наличие свободных объемов в углеводородной фазе мембраны. Коэффициент диффузии «кинков» оценивается в Ю-6 см2 • с-1 — это быстрая диффузия. Транспорт малых молекул происходит в результате их попадания в свободные объемы и миграции вместе с ними. Эта идея дает модель «кинетических каналов» в мембране и позволяет вычислить ее проницаемость для воды в согласии с опытом. Конформационные изменения играют важную роль во взаимодействиях мембран с различными лигандами, что существенно для физиологии и фармакологии. Во многих случаях реакции клеточных мембран на присоединение специфических лигандов имеют кооперативный характер - Кривые ответов мембраны и клетки на возрастающую концентрацию лиганда зачастую имеют перегибы.  Рисунок 7.4 – Температурная зависимость энтальпии и теплоемкости раствора, дипальмитоил-а-лецитина Так называемые колициногенные штаммы бактерий Escherichia coli продуцируют макромолекулярные антибиотики — коли- цины, способные убивать бактерии других, «чувствительных» штаммов Е. coli. При этом число молекул колицинов, нужное: для убийства одной бактерии, может быть очень малым, оно может даже равняться единице. По-видимому, мембрана чувствительной клетки обладает усилительными свойствами — рецепцияс одной молекулы служит триггером, вызывая макроскопические- события в масштабе клетки. В принципе сходные триггерные процессы, надо думать, реализуются в мембранах рецепторных клеток. Установлено, что многие лекарственные вещества влияют на конформации мембран и мембранных липидов. Шанжё и соавторы рассматривали мембрану как упорядоченную кооперативную систему, построенную из взаимодействующих субъединиц. В этих работах триггерные свойства мембраны трактуются на основе теории, аналогичной теории косвенной кооперативное™ ферментов, развитой Моно, Уайменом и Шанжё. Каждая •субъединица имеет рецепторный центр для данного специфического лиганда, сродство к которому меняется при изменении ее конформации. В упорядоченной «решетке» мембраны субъединицы (протомеры) взаимодействуют со своими соседями, чем и определяются кооперативные свойства. В зависимости от активности лиганда и энергии взаимодействия протомеров ответ мембраны на присоединение лиганда может быть постепенным или S-образным, становясь в пределе переходом «все или ничего» — фазовым переходом. Формальная модель описывает действие ко- лицинов, дает качественное объяснение ряду фактов, в частности, тому, что различные родственные лекарственные вещества вызывают различные максимальные ответы мембраны. Первичное действие многих лекарств локализовано в мембранах и имеет кооперативный характер. Многие лекарства действуют в очень малых концентрациях (вплоть до Ю-11 М) и обладают высокой специфичностью. Воздействие лекарства на мембранный рецептор определяется молекулярным узнаванием, но о природе этих рецепторов мы еще мало знаем. Главная трудность при построении молекулярной теории мембранного транспорта и рецепции состоит в анализе динамического взаимодействия белков и липидов. Мембранные рецепторы— по-видимому, белки (родопсин в фоторецепторах),— связавшись с лигандом, меняют еврю конформацию, что приводит к изменению глубины погружения и подвижности белков в «липид- ном море». Причина кооперативности может лежать во взаимодействии «плавающих» белков при их столкновениях. Динамическая мозаичная модель может послужить основой молекулярной физики мембран. Можно думать, что свойства мембран во многом определяются злектронно-конформационными взаимодействиями. Локальный сдвиг электронной плотности, возникающий при взаимодействии рецептора мембраны с лигандом, влечет за собой конформационные перестройки биологических молекул. Перенос через мембрану электронов и ионов можно трактовать как распространение конформонов — условных квазичастиц, со-^ стоящих из носителей электронного заряда, или сдвига электронной плотности, и конформационных смещений окружающей среды. Лекция 8 Применение термодинамики в биологии 8.1 Основы термодинамики неравновесных процессов 8.2 Второе начало термодинамики и энтропия неравновесных систем 8.3 Энтропия и информация 8.4 Особенности термодинамики биологических систем ^ Как уже говорилось, биосистема – живой организм, для которого справедливы все законы физики. Однако биосистемы имеют ряд особенностей, которые отличают их от неживых физических объектов. Это развитие, размножение, информационный обмен и т.д. Кроме того, биосистемы всех уровней иерархии являются упорядоченными. Все процессы в биосистемах можно свести к двум типам: обратимым и необратимым. Обратимые процессы не вызывают изменений во внешней среде и протекают в условиях, близких к термодинамическому равновесию. Для обращения процесса достаточно малых изменений условий их протекания. В условиях термодинамического равновесия градиент энергии равен нулю, и система не совершает работу. Необратимые процессы характеризуются потерями энергии системы, которая обычно выделяется в виде тепла. Т.е. система совершает работу и изменяется, стремясь к некоему конечному состоянию. Обращение процесса требует энергетических затрат, а следовательно, необратимые процессы вызывают изменения окружающей среды. В общем случае с точки зрения физики биосистему следует рассматривать как упорядоченную открытую термодинамическую систему. Под термодинамической системой (ТДС) понимают совокупность материальных тел, способных взаимодействовать между собой и с другими телами (системами), а также обмениваться с ними веществом и энергией. Состояние ТДС характеризуют макроскопическими параметрами: объемом, давлением, концентрацией компонент, плотностью и др. Мерой степени упорядоченности ТДС является энтропия. Системы, не обменивающиеся веществом и энергией с другими системами, называются изолированными. Если в системе нет стационарных потоков вещества, энергии (тепловых потоков) и т.д., то говорят, что ТДС находится в равновесии. Одним из важнейших параметров состояния равновесных ТДС является температура как свойство, одинаковое для всех компонентов системы. Если система характеризуется отсутствием теплообмена с другими системами, то она называется адиабатической (адиабатной) ТДС. К открытым ТДС относят системы, реализующие обмен веществом и энергией с окружающей средой. Открытые термодинамические системы (ОТДС) могут находиться в равновесном и неравновесном состояниях. Если при нарушении термодинамического равновесия ОТДС находится в стационарном состоянии, а отклонения от равновесия малы, то такое неравновесное состояние можно описывать теми же параметрами, что и равновесное, в том числе и температурой и энтропией. Теоретической основой анализа открытых систем является термодинамика неравновесных процессов, таких как диффузия, тепло- и массоперенос, фото- и термоэлектрические явления и т.д. При этом система с протекающими в ней неравновесными процессами рассматривается как сплошная среда, а параметры ее состояния как непрерывные функции координат и времени (полевые переменные). ^ При макроскопическом описании неравновесных процессов термодинамические системы моделируют совокупностью подсистем, полагая, что последние содержат достаточно большое (с точки зрения статистического описания) число компонент. Термодинамическое состояние каждой подсистемы характеризуют набором таких параметров, как объем, давление, температура, и др. термодинамическими параметрами, применяемыми для описания равновесных процессов, но зависящими от координат и времени. Рассмотрение ведется на основе феноменологических уравнений процессов и уравнений баланса и законов сохранения массы, импульса, энергии и энтропии. В общем случае наличие в ТДС различных явлений переноса обусловлено градиентами параметров системы. Эти явления характеризуются тепловыми и диффузионными потоками, скоростями химических реакций и т.д. и получили общее название “потоки”. Потоком Ji физической величины I будем называть соответствующую ее величину, проходящую через единичное сечение в единицу времени. Появление различных потоков нарушает равновесие системы, а ее термодинамическое описание системы теряет смысл, в частности потому, что температура системы в таком состоянии не является параметром, одинаковым для всех ее компонент. В то же время в системе происходят процессы, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Однако если возмущения, выводящие систему из равновесия, меньше взаимодействий, обуславливающих равновесие, то можно рассматривать состояния т.н. локального равновесия – такие, которые характерны для элементарных объемов системы (вообще говоря, бесконечно малых). При этом применимость модели локального равновесия определяется скоростью релаксации системы, рассматриваемой в контексте исследуемого процесса, и связано с тем, что для неравновесных ТДС можно ввести функции состояния, такие, например, как энтропия, которые зависят от тех же величин, что и для равновесных систем. Учитывая, что время релаксации ^ , можно полагать, что отдельные малые подсистемы размерами x приходят к термодинамическому равновесию за время x, значительно меньшее, чем сама система. Таким образом, размеры пространственной неоднородности параметров i системы должны быть меньше размеров подсистемы. Если средний размер молекулы r0, то условием применимости приближения локального равновесия должно быть выполнение условий:
Здесь величины  представляют потки.Принцип локального равновесия является постулатом, недоказуемым в рамках теории неравновесных процессов, а его применение обосновано совпадением экспериментальных данных и теоретических оценок. Однако ограничивает класс систем, доступных термодинамическому рассмотрению. Тем не менее, при учете указанных ограничений можно говорить о справедливости и для неравновесных состояний второго начала термодинамики в форме соотношения Гиббса типа
где U внутренняя энергия системы, T – температура, S – энтропия, A – работа, при условии, что термодинамические параметры системы рассматриваются как функции координат и времени  .С другой стороны, многочисленные эксперименты показали, что при малых отклонениях системы от термодинамического равновесия возникающие потоки различных физических величин являются линейными функциями термодинамических сил. В частности, первый закон Фика (первый закон диффузии) гласит, что поток частиц Jm в идеальных растворах пропорционален градиенту концентрации с:
где ^ Q (количество тепла, переданное в процессе теплопроводности за время t, через площадку площадь s) пропорционален градиенту температуры:
( коэффициент теплопроводности). В то же время градиент температуры может вызывать поток вещества в многокомпонентных системах (эффект Соре или термодиффузия). Для явления, обратного термодиффузии (эффекта Дюфора) характерно, что если два различных химически нейтральных газа или жидкости с первоначально одинаковой температурой диффундируют друг в друга, то в системе возникает разность температур, которая сохраняется при поддержании градиента концентраций. Градиент скорости в жидкой или газообразной среде индуцирует поток импульса, что определяет ее вязкость, а электрическое поле электрический ток. В общем случае подобного рода процессы могут быть описаны (Л. Онсагер) феноменологическими уравнениями движения типа
где Ji – поток i-того типа, Fk – термодинамическая сила, Lik феноменологические кинетические коэффициенты (коэффициенты переноса). Термодинамические потоки и силы могут как скалярными (объемная вязкость), так векторными (тепло- и массоперенос) и тензорными (сдвиговая вязкость) величинами. При этом различают два типа процессов перекрёстные (налагающиеся) и прямые. Если термодинамическая сила Fk может вызывать поток Ji, при определенных ik (градиент температуры может вызывать поток вещества, а градиент концентрации поток теплоты), то такие процессы называются перекрёстными и характеризуются коэффициентами Li, ki. В прямых процессах (теплопроводность, диффузия, вязкое течение, электрический ток) термодинамическая сила Fk вызывает поток Jk. Такого рода зависимости характеризуются коэффициентами пропорциональными (кинетическими коэффициентами) типа коэффициентов теплопроводности, диффузии, вязкости, электропроводности и т.п. Коэффициенты Lik (в общем случае матрицы) могут быть любыми функциями параметров состояния системы (концентрации, давления, температуры и т.д.), не зависящими от Ji и Fk. Они определяют вклад различных термодинамических сил Fk в создание потока Ji. Явные выражения для кинетических коэффициентов могут быть получены в рамках молекулярно-кинетической теории. Онсагером было показано, что в перекрёстных процессах при отсутствии вращения системы как целого и внешнего магнитного поля кинетические коэффициенты Lik удовлетворяют соотношению симметрии
а при наличии вращения системы с угловой скоростью или во внешнем магнитном поле с напряженностью Н они удовлетворяют соотношениям
и
Соотношения (8.4) называют также соотношениями взаимности Онсагера. Очевидно, что при =0 или H=0 соотношения (8.4-б) и (8.4-в) превращаются в соотношения (8.4-а). ^ Полное описание любой системы возможно лишь рамах динамической модели. Однако для сложных систем (в силу уже упоминавшейся теоремы Тьюринга) построение такой модели вряд ли целесообразно. С другой стороны, определенные заключения о характере поведения системы можно сделать на основе законов сохранения – определенных физических закономерностей, согласно которым различные физические величины (параметры системы) не изменяются во времени в любых или определенного типа процессах. Такого типа законы сформулированы и для неравновесных процессов. Закон сохранения массы Определим для многокомпонентной системы локальную концентрацию ci компонент различного типа и локальную плотность i как
где Ni – число компонент i-того сорта из общего числа N компонент системы. Тогда закон сохранения массы можно сформулировать следующим образом: При неравновесном процессе в многокомпонентной системе скорость изменения массы i-той компоненты в подсистеме (элементарном объеме) равна потоку массы ivi, в этот объём (vi массовая скорость компоненты). Т.е. поток плотности в бесконечно малый элемент объёма
где суммарная плотность, v=v(r,t) гидродинамическая скорость среды. Рассматривая диффузионный поток как величину
закон сохранения массы (2.7) можем представить в виде
|
, 
.
,
,
,
,
,
.
, 
,
и 
, 
,
,
.
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям