Структурные и энергетические факторы определяющие динамическую подвижность белков. Роль конформационной подвижности в функционировании ферментов и транспортных белков.
Нуклеиновые кислоты. Строение. Функции. Реакция образования. Структура и особенности пространственной организации НК.
Нуклеиновые кислоты (НК).
НК являются обязательными участниками процессов синтеза белков. Основная цепь НК состоит из чередующихся звеньев фосфорной кислоты и сахара (рибозы в РНК; дезоксирибозы в ДНК). К сахарам присоединяются азотистые основания, которые уже не повторяют друг друга.
Общая схема строения цепи:
Химические свойства
Нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде, практически не растворимы в органических растворителях. Очень чувствительны к действию температуры и критических значений уровня pH. Молекулы ДНК с высокой молекулярной массой, выделенные из природных источников, способны фрагментироваться под действием механических сил, например при перемешивании раствора. Нуклеиновые кислоты фрагментируются ферментами — нуклеазами.
Строение
Полимерные формы нуклеиновых кислот называют полинуклеотидами. Цепочки из нуклеотидов соединяются через остаток фосфорной кислоты (фосфодиэфирная связь). Поскольку в нуклеотидах существует только два типа гетероциклических молекул, рибоза и дезоксирибоза, то и имеется лишь два вида нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК).
Мономерные формы также встречаются в клетках и играют важную роль в процессах передачи сигналов или запасании энергии. Наиболее известный мономер РНК — АТФ, аденозинтрифосфорная кислота, важнейший аккумулятор энергии в клетке.
ДНК и РНК
ДНК — Дезоксирибонуклеиновая кислота. Сахар — дезоксирибоза, азотистые основания: пуриновые — гуанин (G), аденин (A), пиримидиновые — тимин (T) и цитозин (C). ДНК часто состоит из двух полинуклеотидных цепей, направленных антипараллельно.
РНК — Рибонуклеиновая кислота. Сахар — рибоза, азотистые основания: пуриновые — гуанин (G), аденин (A), пиримидиновые урацил (U) и цитозин (C). Структура полинуклеотидной цепочки аналогична таковой в ДНК. Из-за особенностей рибозы молекулы РНК часто имеют различные вторичные и третичные структуры, образуя комплементарные участки между разными цепями.
Биологические мембраны, их основные функции. Физические характеристики биологических мембран (толщина, диэлектрическая проницаемость, электрическое сопротивление). Жидкостно - мозаичная модель мембраны.
Классификация биомембран по структуре и расположению в клетках
Поверхностные мембраны - цитоплазматическая мембрана
Клеточная мембрана (внутриклеточная)
Мембраны, образующие сферические структуры (муосомальные, пироксисомы, митохондрии)
Мембраны, образующие разветвленную сеть (ЭПС)
Мембраны внешней поверхности клетки
Образующая околоклеточные структуры (клеточная оболочка/стенка)
Образующая межклеточные структуры (базальная мембрана)
Комплексы клеток (пластический эпителий)
Функции биомембран.
1. Барьерная – обеспечивает сиплекативный (выборочный), регулируемый, пассивный, активный барьер веществ.
2. Матричная – обеспечивает определяемое взаимоположение и ориентацию мембранных белков. Обеспечивает оптимальное взаимодействие.
3. Механическая – прочность, автономность клетки.
4. Энергетическая (митохондрии, хлоропласты) – синтез АТФ на внутренней мембране митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов.
5.Генерация биопотенциалов
6. Рецепторная функция (механическая, акутическая, терморецепция - мембранные процессы.)
Жидкостно-мозаичная модель биомембраны.
предложена в 1972 г. С. Синджером и Г. Николсоном, которые предположили, что с белками взаимодействуют не отдельные липидные молекулы, а их комплексы — мицеллы и что только около 30% липидных молекул вступают в непосредственные связи с белками. Мембрана представляется липидным бислоем, в который вкраплены протеиновые молекулы и их комплексы (белковые глобулы).
Р
ис.
42. Мозаичная модель биомембраны:
1—белковые глобулы: 2 — липидное «озеро»
Толщина биомембран – 10нм
Фазовое состояние фосфолипидов в мембране. Фазовые переходы мембранных липидов. Модельные липидные мембраны: плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ), липосомы; использование их для изучения свойств биологических мембран. Липосомы в медицине.
Фазовые переходы липидов в мембранах.
Согласно различным физическим методам исследования в фосфолипидной мембране при понижении тем-ры происходит переход из ЖК-состояния в гель-состояние, которое условно иногда наз-ют твердокристалическим.
В гель-состоянии мол-лы расположены еще более упорядоченно чем в ЖК. Все гидрофобные углеводные хвосты фосфолипидных мол-л в гель-фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу. В жидком кристалле за счет теплового движения возможны транс-гош переходы, хвост молекул изгибаются, их параллельность друг другу в отдельных участках нарушается, особенно сильно в середине мембраны.
Толщина мембраны в гель-фазе значительно больше, чем в жид.крист-ле. Однако при переходе из тв.состояния в ЖК-состояние объем несколько увеличивается, потому что значительно увеличивается площадь мембраны, приходящаяся на1 мол-лу. Т.к. в тв.состоянии больш порядок, чем в ЖК, ему соответствуем меньшая энтропия.
Для норм. Функционирования мем-на должна быть в ЖК-состоянии.
Температура фазового перехода понижается при увеличении числа ненасыщенных связей в жирно-кислотных хвостах. В хвосте мол-лы может быть до 4х ненасыщенных связей.
Создание бимолекулярных плоских липидных мембран связано с именем П. Мюллера и его сотрудников, разработавших в 60-е годы методы получения их в лаборатории. Капля фосфолипида в органическом растворителе (например, гептане) наносится на тефлоновую пластинку, в которой сделано отверстие диаметром около 1 мм. Пластинка встраивается в качестве перегородки между двумя сосудами с водой. Под действием поверхностного натяжения из капли образуется пленка, состоящая из двойного слоя липидных молекул. Ее толщина (6— 7,5 нм) меньше длин волн видимого света, поэтому такая мембрана его не отражает и представляется абсолютно черным телом. Ее нередко называют черной мембраной. Каждый из ее слоев может быть построен как из одинаковых, так и разных липидов, симметрично или асимметрично. В них удается внедрять (инкорпорировать) белковые молекулы.
Липосомами называют липидные пузырьки, получаемые встряхиванием сухих липидов в водно-солевом растворе. При обработке суспензий ультразвуком образуются пузырьки со стенками, состоящими из бимолекулярного липидного слоя. Путем наслоения таких бислоев друг на друга возникают многослойные пузырьки диаметром от 5 до 50 мкм. В них толщина каждого бимолекулярного липидного слоя составляет 6—7,5 нм, а водное пространство между слоями — 1,5—2 нм. Размеры и форма многослойных липосом зависят от рН среды, ее солевого состава и других факторов. Диаметр однослойной липосомы равен 25—30 нм, треть чего приходится на внутреннее водное пространство, а две трети — на концентрическую липидную оболочку.
Жидкостно - мозаичная модель мембраны. Особенности фазовых переходов в мембранных системах Подвижность фосфолипидов в мембранах, флип-флоп переходы. Подвижность мембранных белков.
Жидкостно-мозаичная модель биомембраны.
предложена в 1972 г. С. Синджером и Г. Николсоном, которые предположили, что с белками взаимодействуют не отдельные липидные молекулы, а их комплексы — мицеллы и что только около 30% липидных молекул вступают в непосредственные связи с белками. Мембрана представляется липидным бислоем, в который вкраплены протеиновые молекулы и их комплексы (белковые глобулы). Перед мысленным взором одного из авторов мозаичной модели клеточная мембрана предстала в виде липидного океана, в котором плавают белковые айсберги разной величины. Взглянув на схему мозаичной модели (рис. 42), можно понять, что образ океана с айсбергами отражает вид БМ только со стороны одной поверхности. Он не учитывает, что высота отдельных айсбергов больше глубины океана и они выходят за пределы его дна. С учетом этих замечаний мозаичная модель представляется вполне реальной, что подтвердилось при изучении, прежде всего, внутрик леточных мембран.
Подвижность фосфолипидов в мембране: функционирование мембран очень сильно зависит от их микровязкости. Гидрофобные силы препятствуют выходу фосфолипидов из мембраны. Возможно лотеральное движение, вращательное движение и флип-флоп поворот.
Транспорт веществ через мембраны. Электрохимический потенциал. Биофизические механизмы трансмембранного переноса. Пассивный и активный транспорт, принципиальные различия между ними.
Мембрана выполняет 2 противоположные ф-ии:
1)Препятствует перемещению чужеродных вещ-в ч/з клетку
2) Транспорт вещ-в в клетку
Виды транспорта:
К пассивному транспорту относят трансмембранный массоперенос, происходящий в направлении действия концентрационного, электрического, осмотического и фильтрационного (гидростатического) градиентов. Так как по отношению к одному и тому же веществу они могут быть направлены противоположно, то при анализе такого массопереноса необходимо учитывать термодинамическое сопряжение всех физико-химических градиентов.
Активным транспортом называют перенос вещества в направлении, противоположном тому, которое предопределено термодинамическим сопряжением перечисленных выше градиентов. Движущей силой активного транспорта служит химический потенциал, обусловливающий в БМ течение ферментативных реакций, поставляющих свободную энергию для преодоления градиентов. Связан с затратой энергии.
Цитоз – связан с существенной перестройкой мембраны.
Электрохимический потенциал – величина численно равная энергии Гиббса на 1 моль вещества, помещенного в эл.поле. изменение этого потенциала численно равно работе, которую нужно затратит, чтобы синтезировать 1 моль вещ-ва из исходных продуктов и поместить его в растворитель, сконцентрировать с конц.1до конц.2, преодолеть силы электростатического отталкивния при наличии разности потенциалов между растворами.
Связь проникновения веществ через мембрану с особенностями ее строения и природой переносимого вещества. Роль переносчиков и каналов в пассивном транспорте гидрофильных веществ через биологические мембраны.
Движущие силы переноса при пассивном транспорте. Связь проницаемости мембран с растворимостью проникающих веществ в липидах. Проницаемость мембран для воды.
Виды пассивного транспорта: диффузия (простая, облегчённая), осмос, фильтрация. Диффузия незаряженных частиц. Градиент концентрации. Закон Фика.
Виды пассивного транспорта.
Простая Диффузия – самопроизвольное перемещение вещ-ва из мест с большей концентрации в места с меньшей концентрацией вещ-ва вследствие хаотического теплового движения мол-л. Включает в себя осмос, транспорт через липидный слой, через поры в липидном бислое и через белковую пору.
Облегченная диффузия происходит при участии молекул переносчиков, с подвижным переносчиком или фиксированным.
Фильтрация – движение раствора ч/з поры в мембране под действием градиента давления.
Диффузия веществ. Закон Фика.
Диффузия – самопроизвольное перемещение вещ-ва из мест с большей концентрации в места с меньшей концентрацией вещ-ва вследствие хаотического теплового движения мол-л.
Простая диффузия. Облегченная диффузия. Транспорт через мембраны с участием переносчиков. Осмос. Пиноцитоз.
Отличия облегченной диффузии веществ от простой.
Перенос вещ-ва с участием переносчика происходит значительно быстрее
Облегченная диффузия обладает св-ом насыщения
При облегченной диффузии наблюдается конкуренция веш-ва за переносчик
Есть вещ-ва, блокирующие переносчик
В основном переносятся аминокислоты и сахара (моносахара)
Переносчики подвижны
Осмос.
Осмос – преимущественное движение молекул воды ч/з полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещ-ва и проницаемые для воды) из мест с меньшей концентрацией в места с большей концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия воды из мест с ее боьшей концентрацией в места с меньшей концентрацией воды. Осмос играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса обуславливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.
Пиноцитоз - захват клеточной поверхностью жидкости с содержащимися в ней веществами. Один из основных механизмов проникновения в клетку высокомолекулярных соединений, в частности белков и углеводно-белковых комплексов.