Молекулярная биология
Лекция I. Введение в молекулярную биологию. Введение в изучение клеточной и молекулярной биологии
План
• Открытие клеток
• Основные компоненты клеток
• Два фундаментально отличных класса клеток
• Вирусы
Историческая справка:
В 1838 г. М.Шлейден – описал различия клеток растительных тканей
В 1839 г. Т.Шванн сформулировал клеточные основы жизни (клеточная теория):
• Все организмы состоят из одного или многих видов клеток
• Клетки являются структурной единицей жизни
В 1855 Р.Вирхов сформулировал закон: клетки могут возникать только при делении предсуществующих клеток.
Основные свойства клеток
• Жизнь – основное свойство клеток, клетки – наименьшая единица Жизни. Смерть клетки – прекращение жизни.
• Клетки изучают морфологическими и биохимическими методами.
• Поверхность клетки изучают с помощью сканируещего электронного микроскопа. Внутреннее содержимое клеток изучают на срезах клеток с помощью светового микроскопа или с помощью трансмиссионной электронной микроскопии
Молекулярное сходство живых организмов
• Для практически всех живых организмов одинаковыми являются базовые процессы:
• Матричный синтез белков (ДНК®РНК ®Белок)
• Запасание химической энергии
• Построение мембранных структур
Клетка владеет генетической информацией и использует ее:
• Организм строится в соответствии с информацией, закодированной и хранящейся в генах.
• Большинство этой информации упакована в виде нуклеиновых кислот хромосом (часть в составе митохондриальной ДНК).
• Молекулярная структура генов является местом мутационных процессов, лежащих в основе развития и эволюции живых организмов.
• Расшифровка механизмов использования генетической информации клетками является важнейшей задачей науки последних десятилетий.
Самовоспроизведение клеток:
• Деление клеток происходит путем получения из материнской клетки двух дочерних.
• Перед делением клеток генетический материал удваивается и каждая дочерняя клетка получает одинаковое количество генетического материала.
• В результате деления получаются дочерние клетки одинакового объема. Однако, это правило нарушается при образовании ооцитов млекопитающих.
На что способны клетки?
• Жизнедеятельность клетки определяется тысячами химических реакций ферментативной природы (энергетические и пластические процессы).
• Клетки способны к различным типам движения и переноса веществ (биохимические белковые моторы, трансмембранные транспортные системы и др.).
• Клетки способны отвечать на стимулы физической, химической и биологической природы (основную роль играют рецепторы и чувствительные к воздействующему фактору молекулы и процессы).
• Клетки способны к регуляции нервными (электрическими сигналами) и химическими сигнальными молекулами (аутокринная, паракринная и эндокринная системы).
• Клетки способны к развитию (стволовые клетки, трансформация, дифференцировка и др.).
Шесть модельных организмов: Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Arabidopsis thaliana, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Mus musculus
Лекция 2. Биоэнергетика и метаболизм
План
• Биоэнергетика
• Ферменты как биологические катализаторы
• Метаболизм
Законы термодинамики:
• Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии: энергия не появляется и не исчезает; всякий раз, когда энергия используется для выполнения работы или же переходит из одной формы в другую, общее количество энергии остается неизменным.
• Второй закон термодинамики гласит, что все физические или химические процессы стремятся идти в направлении, соответствующем необратимому переходу полезной энергии в хаотическую, неупорядоченную форму. Мерой такого перехода служит величина – энтропия.
Энтропия:
• Процесс останавливается, когда наступает состояние равновесия, при котором энтропия имеет максимально возможное при данных условиях значение.
• Энтропия является количественной характеристикой или мерой неупорядоченной энергии в данной системе.
• Живые организмы сохраняют внутреннюю упорядоченность, получая свободную энергию в виде пищевых веществ (или солнечного света) из окружающей среды и возвращая в нее такое же количество энергии в менее полезной форме, главным образом в форме тепла, которое рассеивается в окружающей среде.
Метаболизм:
• Метаболизм (metabole – греч. изменение, превращение) – это совокупность процессов превращения веществ и энергии в организме, происходящих с участием ферментов.
• В наиболее употребительном значении термин «метаболизм» равнозначен «обмену веществ».
• В точном смысле «метаболизм» означает промежуточный обмен, т.е. превращение веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов. Вещества, участвующие в метаболизме, называются метаболитами.
Деление живых организмов по форме усвояемого углерода:
• Автотрофные клетки («сами себя питающие») усваивают СО2 воздуха в процессе фотосинтеза и из него строят все свои органические вещества (фотосинтезирующие бактерии, зеленые растения).
• Гетеротрофные клетки («питающиеся за счет других») получают углерод из сложных органических соединений (клетки высших животных и большинства микроорганизмов), т.е. они питаются продуктами жизнедеятельности других клеток.
• В биосфере автотрофы и гетеротрофы являются участниками кругооборота углерода и кислорода между животным и растительным мирами: автотрофы используют атмосферный СО2 для синтеза органических молекул и многие из них выделяют кислород из воды в результате этого процесса; гетеротрофы используют органические продукты автотрофов как источник питания и выделяют СО2, который, взаимодействуя с О2, превращается в воду.
Метаболизм складывается из двух фаз – катаболизм и анаболизм:
• Катаболизм – это ферментативное расщепление крупных пищевых или депонированных молекул (углеводов, липидов, белков) до более простых (лактат, Н2О, СО2, NH3) с выделением энергии и запасанием ее в виде АТФ или восстановительных эквивалентов (НАДН, НАДФН, ФАДН2).
• Анаболизм – ферментативный синтез крупных полимерных молекул из простых предшественников с затратой АТФ или восстановительных эквивалентов НАДН, НАДФН и ФАДН2.
Катаболизм и анаболизм не являются простым обращением реакций:
• Катаболические и анаболические пути должны отличаться хотя бы одной из ферментативных реакций, чтобы регулироваться независимо. Например, специфический путь распада глюкозы до лактата (анаэробный гликолиз) включает 11 реакций; обратный процесс – синтез глюкозы из лактата (глюконеогенез) включает 8 обратимых реакций и 3 дополнительные реакции с новыми наборами ферментов. На этих стадиях регулируются суммарные скорости распада и синтеза глюкозы.
• Реакции катаболизма и анаболизма часто разделены мембранами и протекают в разных компартментах клеток. Например, распад жирных кислот протекает в митохондриях, а синтез – в цитозоле.
• Метаболический статус (status – состояние на какой-либо момент времени) – взаимоотношение анаболических и катаболических процессов в организме на определенный момент времени.
Ферменты:
• Ферменты – биологические катализаторы белковой природы
• Идея W.Jencks (1969) о способности белков-антител катализировать химические реакции была подтверждена в конце 80-х годов прошлого века. Были введены термины «каталитические антитела » или «абзимы » (от antibody enzyme).
• Каталитические РНК (рибозимы) были описаны в 80-х годах прошлого века (T.R.Chech et al., 1981; C.Guerrier-Takada et al., 1983). Рибозимы достаточно широко представлены в природе и играют важную роль в эволюции живых организмов, поскольку они могут обеспечивать репродукцию и процессинг РНК без участия белков-ферментов.
Характеристика ферментов:
• Ферменты ускоряют реакции в миллионы раз. Многие реакции не могут протекать в организме в отсутствие ферментов.
• Например, гидратация углекислоты, катализируемая карбоангидразой, является одной из наиболее быстрых реакций. Каждая молекула фермента гидрирует 106 молекул СО2 за секунду! Эта катализируемая реакция протекает в 107 раз быстрее, чем не катализируемая.
• Ферментативный гидролиз пептидной связи происходит за миллисекунды, а без фермента для разрыва пептидной связи при нейтральном значении рН потребуется от 10 до 1000 лет.
Сходство между ферментами и неорганическими катализаторами:
1. Не расходуются и не образуются в процессе реакции.
2. Катализируют только энергетически возможные реакции.
3. Не изменяют свободную энергию субстратов и продуктов реакции.
4. Не смещают равновесия реакции, а ускоряют его наступление.
Активный центр:
1. Активный центр фермента формируется при образовании третичной структуры белка за счет пространственного сближения радикалов аминокислот.
2. Активный центр образуется боковыми радикалами аминокислот, которые могут располагаться на значительном расстоянии в первичной структуре.
3. Активный центр представляет собой полость, щель или карман; на область активного центра приходится всего лишь 25-100-часть от объема фермента.
4. Активный центр не является жесткой структурой. Его конформация изменяется при связывании субстрата. 5. У сложных ферментов в состав активного центра входят кофакторы.
6. В активном центре выделяют контактный (якорный) участок, связывающий субстрат и каталитический участок, где происходит превращение субстрата.
7. Субстрат связывается с активным центром фермента не ковалентными связями.
Аллостерический центр:
• Кроме активного центра у ряда ферментов имеется регуляторный, или аллостерический (от греч. allos – иной, чужой) центр, который в молекуле фермента, как правило, пространственно отделен от активного центра.
• К аллостерическому центру присоединяются вещества – эффекторы, которые делятся на активаторы и ингибиторы. Присоединение эффектора к аллостерическому центру приводит к изменению третичной и/или четвертичной структуры молекулы фермента и соответственно конфигурации активного центра, вызывая снижение или повышение ферментативной активности.
• Ферменты, имеющие аллостерический центр, называются аллостерическими.
Виды специфичности ферментов:
1. Абсолютная специфичность – фермент катализирует превращение только одного субстрата. Например, аргиназа расщепляет аргинин, уреаза – мочевину.
2. Относительная специфичность – фермент расщепляет определенный тип связи. Например, липаза гидролизует жиры по месту сложноэфирной связи на глицерин и жирные кислоты.
3. Относительная групповая специфичность – фермент расщепляет определенный тип связи, но в ее образовании участвуют определенные функциональные группы. Такие ферменты обычно участвуют в процессе пищеварения. Например, пищеварительные ферменты гидролизующие пептидную связь в белках относятся к протеиназам (относительная специфичность), но среди них пепсин расщепляет пептидную связь, образованную аминогруппой ароматических аминокислот; трипсин – пептидную связь, образованную карбоксильной группой основных аминокислот, а химотрипсин – карбоксильной группой ароматических аминокислот (относительная групповая специфичность).
4. Стереохимическая специфичность – фермент катализирует превращение определенного стереоизомера. Например, оксидаза L-аминокислот превращает только L-аминокислоты.
Классы ферментов:
1. Оксидоредуктазы. К классу оксидоредуктаз относятся ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции
2. Трансферазы. К классу трансфераз относятся ферменты, катализирующие реакции межмолекулярного переноса групп
3. Гидролазы катализируют гидролиз эфирных, сложноэфирных, пептидных и гликозидных связей, кислородных ангидридов, связей С-С, С-галоген и Р-N, т.е. расщепление внутримолекулярных связей с участием воды
4. Лиазы (синтазы) - это ферменты, отщепляющие группы от субстратов по негидролитическому (без участия воды) механизму, с образованием двойных связей
5. Изомеразы катализируют различные типы оптических, геометричеких и позиционных изомеров
6. Лигазы (синтетазы) катализируют соединения двух молекул, сопряженное с разрывом пирофосфатной связи АТФ или другого макроэргического соединения
Номенклатура ферментов:
Каждый фермент имеет специальный шифр, состоящий из 4-х кодовых чисел, разделенных точками; первая цифра характеризует класс реакции, вторая – подкласс, третья – подподкласс, четвертая указывает порядковый номер фермента в его подподклассе. Например, лактатдегидрогеназа имеет шифр 1.1.1.27, т.е. фермент относится к 1-му классу (оксидоредуктазы), к 1-му подклассу (оксидоредуктазы, действующие на СН-ОН-группировки в качестве доноров атомов водорода), к 1-му подподклассу (акцептором атомов водорода служит никотинамидадениндинуклеотид) и занимает 27 позицию в перечне ферментов упомянутого подкласса
Активность ферментов зависит от 6 факторов:
- От количества фермента при избытке субстрата
- От концентрации фермента (уравнение Михаэлиса-Ментен
- От температуры реакции
- От рН
- От наличия активаторов
- От наличия ингибиторов
Единицы измерения активности ферментов:
1. Стандартная международная единица (Е или U) – количество фермента, которое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в минуту (мкмоль/мин).
Катал - количество фермента, которое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 моль субстрата в секунду (моль/сек). 1 Е фермента соответствует 16,67 нкат; 1 кат = 6×107 Е
2. Удельная активность – число единиц ферментативной активности на 1 мг ферментативного белка.
3. Молярная активность (число оборотов) – число молекул субстрата, подвергающихся превращению одной молекулой фермента в секунду.
Единицы энергии:
• Единицы энергии: калория (кал) эквивалентна количеству тепла для подъема температуры 1 г воды от 14,5 до 15,5 ºС. Килокалория (ккал) равна 1000 кал. Джоуль (Дж) равен работе, совершаемой силой 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м в направлении действия силы. Килоджоуль (кДж) равен 1000 Дж.
• 1 ккал = 4,184 кДж
Биоэнергетика
• Биоэнергетика, или биохимическая термодинамика, занимается изучением энергетических превращений, сопровождающих биохимические реакции.
• Изменение свободной энергии (∆G) – это та часть изменения внутренней энергии системы, которая может превращаться в работу. Иначе говоря, это полезная энергия и выражается уравнением
∆G = ∆Н - Т∆S,
где ∆Н – изменение энтальпии (теплоты), Т – абсолютная температура, ∆S – изменение энтропии.
Типы реакций:
• Если значение ∆G отрицательное, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзэргоническими.
• Если значение ∆G положительное, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такая реакция называется эндэргонической.
• При ∆G равном нулю система находится в равновесии.
• Величина ∆G при стандартных условиях протекания химической реакции (концентрация веществ-участников 1,0 М, температура 25 ºС, рН 7,0) обозначается DG0¢ и называется стандартной свободной энергией реакции.
Аккумуляторы энергии в организме:
• Внутренняя мембрана митохондрий – это промежуточный аккумулятор энергии при получении АТФ. За счет энергии окисления веществ происходит «выталкивание» протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. В результате создается электрохимический потенциал (ЭХП) на внутренней мембране митохондрий. При разрядке мембраны энергия электрохимического потенциала трансформируется в энергию АТФ: ЕОКИСЛ. ® ЕЭХП ® ЕАТФ. Для реализации этого механизма внутренняя мембрана митохондрий содержит ферментативную цепь переноса электронов на кислород и АТФ-синтазу (протонзависимую синтазу АТФ).
• АТФ и другие макроэргические соединения. Материальным носителем свободной энергии в органических веществах являются химические связи между атомами. Обычным энергетическим уровнем возникновения или распада химической связи является ~ 12,5 кДж/моль. Однако имеется ряд молекул, при гидролизе связей которых выделяется более 21 кДж/моль энергии (табл.8.3). К ним относятся соединения с макроэргической фосфоангидридной связью (АТФ), а также ацилфосфаты (ацетил-фосфат, 1,3-бисфосфоглицерат), енол-фосфаты (фосфоенолпируват) и фосфогуанидины (фосфокреатин, фосфоаргинин).
К макроэргическим соединениям относят также нуклеозидтрифосфаты, которые обеспечивают энергией ряд биосинтезов: УТФ – углеводов; ЦТФ – липидов; ГТФ – белков. В биоэнергетике мышц важное место занимает креатинфосфат.
• НАДФН+Н+ – никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный. Это специальный аккумулятор с высокой энергией, который используется в клетке (цитозоль) для биосинтезов. R-CH3 + НАДФН2 + О2 ® R-CH2ОН + Н2О + НАДФ+ (здесь показано создание ОН-группы в молекуле).
Сопряжение эндергонических и экзергонических реакций:
• Жизненно важные процессы в организме – реакции синтеза, мышечное сокращение, проведение нервного импульса, транспорт через мембраны – получают энергию путем химического сопряжения с окислительными реакциями, в результате которых происходит высвобождение энергии. Т.е. эндэргонические реакции в организме сопряжены с экзэргоническими.
• Для сопряжения эндэргонических реакций с экзэргоническими реакциями необходимы аккумуляторы энергии в организме, в которых запасается примерно 50% энергии.
Энергетический заряд клетки:
• Многие реакции метаболизма контролируются энергетическим обеспечением клеток, который контролируется энергетическим зарядом клетки. Энергетический заряд может колебаться от 0 (все АМФ) до 1 (все АТФ). Согласно Д.Аткинсону, образующие АТФ катаболические пути ингибируются высоким энергетическим зарядом клетки, а утилизирующие АТФ анаболические пути стимулируются высоким энергетическим зарядом клетки. Оба пути функционируют одинаково при энергетическом заряде, близком к 0,9. Следовательно, энергетический заряд, подобно рН, является буферным регулятором метаболизма (соотношения катаболизма и анаболизма). В большинстве клеток энергетический заряд колеблется в пределах 0,80-0,95.
Лекция 3. Структура и функция плазматических мембран
План
• Функции мембран.
• Химическое строение мембран.
• Структура и функции мембранных белков.
• Мембранные липиды и жидкостность мембран. Динамическая природа плазматических мембран.
• Модели мембран. Перенос веществ через мембраны.
• Мембранные потенциалы и нервные импульсы.
• Важные процессы для человека: дефекты ионных каналов как причина врожденных заболеваний.
• Примеры молекулярных методов: исследование ацетилхолинового рецептора.
Мембраны - это высокоорганизованные структуры, отграничивающие внутреннее пространство клетки или ее отсеков, построенные из белков и липидов
Функции мембран:
1. Отделяют клетки от окружающей среды. Обладают избирательной проницаемостью, содержат специфические транспортные системы. Внутренние мембраны клеток ограничивают органеллы и формируют обособленные внутриклеточные отсеки - компартменты. Они обеспечивают функциональную специализацию клетки.
2. Мембраны играют центральную роль в системе межклеточных взаимодействий. В них располагаются рецепторы, воспринимающие химические, физические и другие внешние сигналы. Некоторые мембраны сами способны генерировать сигнал (химический или электрический).
3. Мембраны участвуют в процессах превращения энергии (фотосинтез, окислительное фосфорилирование).
Основными липидами мембран являются фосфолипиды, гликолипиды и холестерол:
• Глицерофосфоглицериды являются основным компонентом большинства мембран и состоят из спирта глицерола, 2-х остатков жирных кислот, остатка фосфорной кислоты и спирта: холина (фосфатидилхолин), этаноламина (фосфатидилэтаноламин), серина (фосфатидилсерин), глицерола (фосфатидилглицерол), глицеролфосфата, треонина или инозитола.
• Сфингомиелины содержат спирт сфингозин. Жирная кислота присоединяется амидной связью к аминогруппе сфингозина. Первичная гидроксильная группа сфингозина эстерифицируется фосфорилхолином. Сфингомиелины находятся преимущественно в миелиновых оболочках.
• Холестерол
Характеристика мембран:
Мембраны являются сложными структурами, построенными из липидов, белков и углеводов. Основу мембран составляет липидный бислой, имеющий толщину 6-10 нм.
2. Соотношение белков и липидов в мембранах варьирует от 1:4 до 4:1 и зависит от типа клеток и органелл.
3. Мембраны являются асимметричной структурой с наружной и внутренней поверхностями.
4. Мембрана стабилизируется нековалентными связями и является термодинамически стабильной и метаболически активной.
5. Специфические белки встроены в мембраны и выполняют специфические функции рецепции управляющих сигналов, межклеточного взаимодействия, транспорта веществ и пр.
6. Мембраны – это жидкостные структуры.
Белки мембран:
• По расположению белков в мембране, способу их ассоциации с липидным бислоем их можно разделить на: поверхностные (периферические) мембранные белки, связанные с гидрофильной поверхностью липидного бислоя; интегральные мембранные белки, погруженные в гидрофобную область бислоя.
• Прошивающие мембрану белки имеют конформацию α-спирали во внутренней части мембраны. В этой части белка преобладают гидрофобные аминокислотные остатки. Такая структура была впервые установлена при исследовании бактериородопсина (7 тесно упакованных α-спиралей, пересекающих мембрану размером 4,4 нм).
Мембранные белки – типы:
Мембранные белки можно разделить на две группы: структурные и динамические белки. Структурные белки поддерживают структуру всей мембраны. Это, как правило, периферические белки, выступающие в роли «молекулярного бандажа».
Динамические белки непосредственно участвуют в процессах, происходящих на мембране. Выделяют три класса таких белков:
1) транспортные – участвующие в трансмембранном переносе веществ;
2) каталитические – это ферменты, интегрированные в мембрану и катализирующие происходящие там реакции;
3) рецепторные – это мембранные рецепторы, специфически связывающие такие соединения, как гормоны, нейромедиаторы, токсины, на наружной стороне мембраны, что служит сигналом для изменения метаболических процессов в мембране или внутри клетки.
Углеводы мембран:
• В составе мембран углеводы находятся только в соединении с белками (гликопротеины и протеогликаны) и липидами (гликолипиды). В мембране гликозилировано около 10% всех белков и 5-25% липидов. Углеводные цепи белков колеблются по составу от 2-х членных структур до разветвленных 18-членных полисахаридов.
• Функции углеводов:
1) определяют межклеточное взаимодействие;
2) участвуют в системе иммунитета (антигенные детерминанты групп крови);
3) входят в состав рецепторов.
Механизмы трансмембранного транспорта:
• Простая диффузия
• Облегченная диффузия
• Активный транспорт (первичный, вторичный)
• Везикулярный транспорт (эндоцитоз – фагоцитоз и пиноцитоз; экзоцитоз)
Лекция 4. Аэробное дыхание и митохондрии
План
• Структура и функция митохондрий.
• Дыхательная цепь внутренней мембраны митохондрий. Роль митохондрий в образовании АТФ, хемиосмотическая гипотеза образования электрохимического потенциала. «Молекулярная машина» для синтеза АТФ.
• Образование активных метаболитов кислорода в митохондриях и их биологическая роль. Пероксисомы.
Обмен углеводов в эукариотической клетке (в цитозоле при отсутствии кислорода глюкоза превращается через пируват до лактата; в митохондриях при наличии кислорода через пируват – до СО2 и Н2О).
Судьба пирувата:
• В анаэробных условиях пируват восстанавливается в лактат – это анаэробный гликолиз. В гликолизе методом субстратного фосфорилирования образуется 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы или 3 молекулы АТФ, если глюкоза поступала из гликогена в виде Г-1-Ф (гликогенолиз).
• В аэробных условиях и при наличии в клетках митохондрий пируват переносится в митохондрии, где 1) окислительно декарбоксилируется до ацетил-КоА; 2) ацетильная группа ацетил-КоА окисляется и декарбоксилируется в ЦТК; 3) 5 пар протонов (одна пара из 1 этапа и четыре пары из ЦТК – 2 этапа) поступают в Цепь переноса электронов (ЦПЭ), где методом окислительного фосфорилирования образуется АТФ. В аэробных условиях при окислении 1 молекулы АТФ до СО2 и Н2О образуется 30-32 АТФ.
• Аэробное окисление глюкозы эффективнее анаэробного в 15-16 раз.
Биологическое окисление:
В основе биологического окисления лежат окислительно-восстановительные процессы, определяемые переносом электронов.
Вещество окисляется, если теряет электроны или одновременно электроны и протоны (водородные атомы, дегидрирование) или присоединяет кислород (оксигенирование). Противоположные превращения – восстановление.
Способность молекул отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом, Е0¢, или ОВП). Редокс-потенциал определяют путем измерения электродвижущей силы в вольтах.
Чем выше потенциал системы, тем сильнее выражены ее окислительные свойства, т.е. способность принимать электроны.
Редокс-потенциал определяет работу цепи переноса электронов:
• Редокс-потенциалы Е0¢ связаны с изменением свободной энергии DG0¢ уравнением Нернста: DЕ0¢=-DG0¢: nF, где n – число перенесенных в реакции электронов, F – постоянная Фарадея (96,5 кДж×В-1×моль-1), DЕ0¢ -разность редокс-потенциалов электронно-донорной и электронно-акцепторной пар.
• Промежуточные переносчики электронов располагаются так, что DЕ0¢ постоянно уменьшается, а редокс-потенциал, соответственно возрастает.
• Таким образом, на каждом этапе передачи электрона соседнему по цепи переносчику высвобождается свободная энергия.
ЦПЭ – цепь переноса электронов:
• ЦПЭ – это универсальный конвейер по переносу электронов от субстратов окисления к кислороду, построенный в соответствии с градиентом окислительно-восстановительного потенциала.
• Главные компоненты дыхательной цепи расположены в порядке возрастания их окислительно-восстановительного потенциала.
• В процессе переноса электронов по градиенту окислительно-восстановительного потенциала высвобождается свободная энергия.
• ЦПЭ локализована во внутренней мембране митохондрий.
ОВП цепи переноса электронов. Имеется 3 участка, где освобождается энергии больше, чем требуется для образования АТФ.
Суть окислительного фосфорилирования:
1) за счет энергии переноса электронов в ЦПЭ (Е-ОКИСЛЕНИЯ) происходит движение протонов через мембрану в ММП и создается электрохимический потенциал (Е-ЭХП).
2) При возвращении протонов назад через АТФ-синтазу энергия ЭХП трансформируется в энергию АТФ – ЕАТФ.
Итог:
• В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в ЦПЭ.
• Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль АТФ, или 62 кг (при расчете использован коэффициент Р/О = 2,5, т.е. среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТФ, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, каждая молекула АТФ за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза.
Окислительные системы, не связанные с запасанием энергии:
• Пероксидазный путь. Другой тип дегидрирования субстратов, заключающийся в переносе двух атомов водорода на молекулу кислорода, называется пероксидазным: RН2 + O2 ® R + H2O2.
• Оксигеназный путь. Оксигеназы – это ферменты, катализирующие включение атома или молекулы кислорода в субстрат окисления. Служат для синтеза и деградации различных метаболитов. Оксигеназы представлены двумя типами ферментов (монооксигеназы и диоксигеназы, служат для обезвреживания ксенобиотиков).
• Свободно-радикальное окисление. Полное восстановление О2 до Н2О требует присоединения 4 электронов: О2 + 4е- + 4Н+ ® 2Н2О. При неполном восстановлении (т.е. присоединении 1, 2 или 3е-) образуются свободно-радикальные формы кислорода: супероксидный анион-радикал,гидроксильный радикал, алкоксильный радикал),гидрпероксильный радикал и др.
Лекция 5. Взаимодействие между клетками и их окружением
План
• Молекулярная структура межклеточного пространства и его функции.
• Взаимодействие клеток с компонентами межклеточного пространства.
• Молекулярные основы межклеточных взаимодействий.
• Типы и молекулы прикрепления клеток к межклеточному матриксу. Десмосомы.
• Понятие о трансмембранном сигналинге.
• Молекулы клеточных оболочек: гемицеллюлоза, пектины, белки.
Молекулярная структура межклеточного пространства и его функции.
Соединительная ткань:
• Соединительную ткань отличает от других тканей преобладание межклеточного вещества над клеточными элементами.
• Клеточные элементы: фибробласты, тучные клетки, плазматические клетки и др.
• Межклеточное вещество включает три класса биомолекул: 1) структурные белки (коллаген и эластин); 2) специализированные белки (фибриллин, фибронектин и ламинин); 3) протеогликаны (включают гликозаминогликаны - ГАГ).
• Некоторые клетки соединительной ткани выделяют сигнальные молекулы (гепарин, гистамин, серотонин и др.), участвуют в иммунном ответе и неспецифической реактивности организма.
Макромолекулы экстрацеллюлярного матрикса:протеогликаны формируют матрикс, в котором находятся белки фибронектин, коллаген и ламинин, имеющие места связывания друг с другом и с рецепторами - интегринами
Коллаген:
• В организме млекопитающих коллаген составляет 25% от всех белков. Это левая спираль с шагом 0,96 нм и 3,3 остатка в каждом витке, более пологая по сравнению с α-спиралью. В отличие от α-спирали образование водородных мостиков здесь невозможно.
• Коллаген имеет необычный аминокислотный состав: 1/3 составляет глицин, примерно 10% пролин, а также гидроксипролин и гидроксилизин. Последние две аминокислоты образуются после биосинтеза коллагена путем посттрансляционной модификации с участием витамина С. При цинге - нарушения прочности коллагена.
• В структуре коллагена постоянно повторяется триплет гли-X-Y, причем положение Х часто занимает пролин, а Y – гидроксилизин.
• Коллаген повсеместно присутствует в виде правой тройной спирали, скрученной из трех первичных левых спиралей. В тройной спирали каждый третий остаток оказывается в центре, где по стерическим причинам помещается только глицин. Вся молекула коллаген имеет длину около 300 нм.
Образование коллагеновых волокон:
• Цепи коллагена после синтеза на полисомах переходят в эндоплазматическую сеть в виде предшественников, имеющих дополнительные пептиды на концах цепей (содержат много остатков цистеина). Эти телопептиды участвуют во внутриклеточном образовании тройных спиралей.
• Тройная спираль проколлагена фиксируется дисульфидными связями между тремя С-концевыми телопептидами. Молекула проколлагена транспортируется по цистернам эндоплазматического ретикулума в аппарат Гольджи для дополнительного гликозилирования и последующего экзоцитоза во внеклеточное пространство.
• Вне клеток происходит фибриллогенез, в процессе которого специфические пептидазы отщепляют концевые телопептиды (их можно обнаружить в кровотоке). Коллагеновые волокна образуются из отдельных молекул тропоколлагена, которые формируют перекрывающуюся структуру (поперечная исчерченность с периодом 67 нм за счет смещения каждой соседней молекулы в фибрилле на ¼ своей длины относительно соседней).
Известны более 15 типов коллагеновых молекул (изоколлагены):
• Тип I [a(1)]2a2(I) и тип II [a(II)]3– кости, дентин, роговица, гиалиновый хрящ;
• Тип III [a(III)]3 – дерма, десна, клапаны сердца;
• Тип IV [a(IV)]3 – базальные мембраны;
• Тип V [a(V)]2a2(V) и тип VI a1(VI), a2(VI) – кости, роговица, клапаны сердца, артериальные сосуды;
• Тип VII a1(VII) и тип VIII a1(VIII) – эндотелий сосудов;
• Тип IX a1(IX) a2(IX) и тип X a1(X) – хрящевая ткань. Изоколлагены типов I-III – образуют фибриллы; изоколлагены типов IV и VII являются сеть формирующими, например, в базальных мембранах, изоколлагены IX и XII участвуют в образовании фибрилл.
Ламинин – это белок, состоящий из трех полипептидных цепей организованных в виде крестообразной структуры. Домены ламинина связывают коллаген типа IV, гепарансульфат и гликопротеины поверхности клеток.
Энтактин служит для связывания между ламинином и коллагеном.
Компоненты базальной мембраны:
• Коллаген типа IV, гепаран сульфат, ламинин и энтактин могут образовывать базальные мембраны. Коллаген типа IV на ¼ длиннее молекул других типов коллагена (при биосинтезе не теряются концевые телопептиды), что позволяет ему создавать двумерную сеточку к которой прикрепляются эндотелиальные и эпителиальные клетки и которая образует ложа для мышечных и жировых клеток.
• При резком уменьшении содержания коллагена типа IV эпидермис легко отделяется от дермы (пузырчатка).
Протеогликаны – это сложные белки, в которых с молекулами белка ковалентно связаны гликозамингликаны.
Схема строения протеогликанов:
- Гликозамингликаны (кератансульфат, хондроитинсульфат и др.) соединены через связывающий трисахарид (галактоза-галактоза-ксилоза) с серином корового белка.
- Коровый белок присоединяется к гиалуроновой кислоте, образуя структуру типа ершика для мытья пробирок.
- Гиалуроновая кислота состоит из 250 тысяч несульфатированных дисахаридных единиц. Она образует свободные от клеток пространства для целлюлярной миграции в норме и при патологии.
Функции протеогликанов:
1) специфическое взаимодействие с коллагеном, эластином, фибронектином и др.; 2) являясь полианионами, они связывают катионы; 3) определяют форму и упруго-эластические характеристики органов; 4) участвуют в рецепции, эндо- и экзоцитозе, межклеточном взаимодействии; 5) регулируют процессы трансмембранного переноса (например, клубочковую фильтрацию), включая работу синапсов; 6) гомеостатическое действие (антикоагулянтное действие, функционирование тучных клеток и др.); 7) образуя структуры типа молекулярных сит (гель) обеспечивают барьерную функцию, защищая организм от проникновения микробов, чужеродных молекул, токсинов
Адгезивные неколлагеновые белки:
• Во внеклеточном веществе имеется ряд адгезивных неколлагеновых белков, имеющих последовательности арг-гли-асп (RGD) и служащих для белково-лигандных взаимоотношений (например, с интегральными белками плазматических мембран – интегринами). К адгезивным белкам относят фибронектин, ламинин, нидоген, фибриллярные коллагены и коллаген IV типа; их относят к белкам «зрелой» соединит