- •Глава 1
- •1.1. Для чего нужна физиология животных
- •1.2. Физиология и медицина
- •1.3. Физиология и познание
- •1.4. Основные концепции физиологии
- •1.4.1. В основе любой функции лежит структура
- •1.4.2. Генетика и физиология
- •1.4.3. Принцип гомеостаза
- •1.5. Физиологическая литература
- •1.6. Резюме
- •1.7. Вопросы для повторения
- •Глава 2 Физические и химические концепции
- •2.1. Атомы, связи и молекулы
- •2.2. Свойства н, о, n и с как основа для возникновения жизни
- •2.3. Вода.
- •2.3.1. Молекула воды
- •2.3.2. Свойства воды
- •2.3.3. Вода как растворитель
- •2.4. Растворы и их коллигативные свойства
- •2.5. Растворы электролитов
- •2.5.1. Ионизация воды
- •2.5.2. Кислоты и основания
- •2.5.3. Биологическая роль рН
- •2.5.4. Уравнение Гендерсона–Хассельбаха
- •2.5.5. Буферные системы
- •2.6. Электрический ток в водных растворах
- •2.7. Ионная избирательность
- •2.8. Биологические молекулы
- •2.8.1. Липиды
- •2.8.2. Углеводы
- •2.8.3. Белки
- •2.8.4. Нуклеиновые кислоты
- •2.9. Резюме
- •2.10. Вопросы для повторения
- •4. Почему кислород играет столь важную роль в биологии?
- •Глава 3
- •3.1. Энергия: понятия и определения
- •3.2. Перенос химической энергии в системе сопряженных реакций
- •3.3. Атр и высокоэнергетическая фосфатная группа
- •3.4. Температура и скорость реакции
- •3.5. Ферменты
- •3.5.1. Специфичность фермента
- •3.5.2. Каталитическая активность
- •3.5.3. Температура и скорость реакции
- •3.5.4. Чувствительность к рН
- •3.5.5. Регуляция ферментативной активности
- •3.5.6. Кофакторы
- •3.5.7. Кинетика ферментативных реакций
- •3.5.8. Сродство между ферментом и субстратом
- •3.5.9. Подавление активности ферментов
- •3.6. Механизмы регуляции метаболизма
- •3.6.1. Генетическая регуляция синтеза ферментов
- •3.6.2. Метаболическое ингибирование по типу обратной связи
- •3.6.3. Активация ферментов
- •3.7. Образование атр в процессе метаболизма
- •3.8. Окисление, фосфорилирование и перенос энергии
- •3.8.1. Электронпереносящие коферменты
- •3.9. Цепь переноса электронов
- •3.10. Гликолиз
- •3.11. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
- •3.12. Эффективность энергетического метаболизма
- •3.13. Кислородная задолженность
- •3.14. Резюме
- •3.15. Вопросы для повторения
- •Глава 4
- •4.1. Состав мембран
- •4.2. Организация мембран
- •4.2.1. Простые модели бислоев
- •4.2.2. Жидкостно–мозаичная модель
- •4.2.3. Субъединичная модель
- •4.3. Физические основы проницаемости мембран
- •4.3.1. Диффузия
- •4.3.2. Трансмембранный поток
- •4.3.3. Осмос
- •4.3.4. Осмолярность и тоничность
- •4.3.5. Влияние электрических сил на распределение ионов
- •4.3.6. Доннановское равновесие
- •4.4. Осмотические свойства клеток
- •4.4.1. Стационарное состояние
- •4.4.2. Объем клеток
- •4.5. Механизмы пассивного транспорта
- •4.5.1. Простая диффузия через липидный бислой
- •4.5.2. Диффузия через мембранные каналы
- •4.5.3. Облегченная диффузия
- •4.6. Активный транспорт
- •4.7. Ионные градиенты как источники энергии в клетке
- •4.7.1. Симпорт (котранспорт)
- •4.7.2. Антипорт (контртранспорт)
- •4.8. Селективность мембран
- •4.8.1. Селективность к электролитам
- •4.8.2. Селективность к неэлектролитам
- •4.9. Эндоцитоз и экзоцитоз
- •4.10. Межклеточные контакты
- •4.10.1. Щелевые контакты
- •4.10.2. Плотные контакты
- •4.11. Эпителиальный транспорт
- •4.11.2. Транспорт воды
- •4.12. Резюме
- •4.13. Вопросы для повторения
- •Глава 5 Ионы и возбуждение
- •5.1. Мембранная теория возбуждения
- •5.2. Пассивные электрические свойства клеточных мембран
- •5.2.1. Проводимость мембраны
- •5.2.2. Емкость мембраны
- •5.2.3. Электротонический потенциал
- •5.3. Электрохимический потенциал
- •5.3.1. Уравнение Нернста
- •5.4. Потенциал покоя
- •5.4.1. Роль ионных градиентов и ионных каналов
- •5.4.2. Роль активного транспорта
- •5.5. Активные электрические процессы
- •5.6. Ионные основы потенциала действия
- •5.6.1. Общие свойства потенциала действия
- •5.6.2. Натриевая гипотеза
- •5.6.3. Натриевые каналы
- •5.6.4. Цикл Ходжкина
- •5.6.5. Калиевый ток
- •5.6.6. Ионные механизмы потенциала действия: краткая сводка
- •5.6.7. Изменение концентрации ионов во время возбуждения
- •5.7. Другие электровозбудимые каналы
- •5.8. Пейсмекерные потенциалы
- •5.9. Резюме
- •5.10. Вопросы для повторения
- •Глава 6 Распространение и передача нервных импульсов
- •6.1. Нервные клетки
- •6.1.1. Два основных типа электрических сигналов в нервных клетках
- •6.2. Пассивное распространение электрических сигналов
- •6.3. Распространение нервных импульсов
- •6.3.1. Скорость распространения нервных импульсов
- •6.3.2. Сальтаторное проведение
- •6.4. Представление о синапсах
- •6.5. Передача возбуждения в электрических синапсах
- •6.6. Передача сигналов в химических синапсах
- •6.6.1. Строение химических синапсов
- •6.6.2. Синаптические потенциалы
- •6.6.3. Синаптические токи
- •6.6.4. Потенциал реверсии
- •6.6.5. Постсинаптическое торможение
- •6.6.6. Пресинаптическое торможение
- •6.7. Постсинаптические рецепторы и каналы
- •6.8. Выделение медиаторов пресинаптическими окончаниями
- •6.8.1. Квантовое выделение медиаторов
- •6.8.2. Электросекреторное сопряжение
- •6.9. Синаптическая интеграция
- •6.9.1. Суммация
- •6.10. Функциональная пластичность синапсов
- •6.10.1. Гомосинаптическая модуляция
- •6.10.1.1. Облегчение
- •6.10.1.2. Посттетаническая потенциация
- •6.10.2. Гетеросинаптическая модуляция
- •6.11. Медиаторы
- •6.11.1. Биогенные амины
- •6.11.2. Аминокислоты
- •6.11.3. Нейропептиды
- •6.11.4. Эндогенные опиоиды
- •Подставив в это равенство выражения (1) и (2), получим
- •6.12. Резюме
- •6.13. Вопросы для повторения
2.8.3. Белки
Из всех органических молекул белки являются наиболее сложными и представляют наиболее многочисленный класс молекул в живой клетке; на их долю приходится более половины клеточной массы в сухом весе. Белковые молекулы представляют собой линейные цепи из остатков аминокислот (табл. 2–7). Вся информация, закодированная в генетическом материале клетки, переводится в первую очередь на язык первичной структуры (см. ниже) белковых молекул; выстраиваемая в процессе белкового синтеза аминокислотная последовательность служит выражением этой информации и определяет свойства любой белковой молекулы. Число разных аминокислотных строительных блоков равно примерно 20, поэтому существует колоссальное множество различных вариантов аминокислотных последовательностей. Предположим, например, что нам нужно построить полипептидную молекулу, состоящую всего из 20, но отличных друг от друга аминокислот. Сколько различных перестановок аминокислот в полимерной цепи мы можем осуществить, чтобы ни одна последовательность не повторилось дважды? Ответ выражается произведением 20 · 19 · 18 · 17 · 16 · …· 2 · 1 (=20!), т.е составляет ~1018. Но даже эта умопомрачительная величина блекнет в сравнении с реальностью, если мы вспомним, что полипептид, содержащий всего 20 аминокислот, является относительно небольшой молекулой (ее масса составляет около 2400). Для более типичной молекулы белка с молю массой 35000, содержащей всего 12 разновидностей аминокислот, число возможных последовательностей превышает 10300. Поэтому неудивительно, что число известных ферментов (которые все суть белки) превысило 1000, и, вероятно, немало новых ферментов еще предстоит открыть.
Таблица 2–7. Боковые группы, или радикалы (см. рис. 2–35), двадцати обычных –аминокислот (Higgis et al, 1965)
|
|
Ферменты образуют самую большую функциональную группу белков, однако существует много других белков, не являющихся ферментами, и все они кодируются и транскрибируются посредством одних и тех же генетических механизмов. В табл. 2–8 приводится классификация белков на основе их биологических функций и дано небольшое число примеров.
Таблица 2–8. Классификация белков на основе их биологической функции (Lehninger,1975)
Тип белка и примеры. |
Местонахождения или функция |
Ферменты. Рибонуклеаза Цитохром с Трипсин Регуляторные белки Кальдомодулин Тропонин С Тропомиозин Запасные белки Овальбумин Казеин Ферритин Транспортные белки Гемоглобин Гемоцианин Миоглобин Сывороточный альбумин Сократительные белки Миозин Актин Динеин Защитные белки в крови позвоночных Антитела Фибриноген Тромбин Токсины Ботулинический токсин Бунгаротоксин Гормоны Инсулин Адренокортикотропный гормон Гормон роста Структурные белки Гликопротеины –Кератин Склеротин Фиброин Коллаген Эластин |
Гидролизует РНК Переносит электроны Гидролизует некоторые пептиды
Внутриклеточный кальцийсвязывающий эффектор Кальцийсвязывающий регулятор мышечных сокращений Регулятор мышечных сокращений
Содержится в белке яйца Содержится в молоке Связывает железо (в селезенке)
Переносит О2 в крови позвоночных Переносит О2 в крови некоторых беспозвоночных Переносит О2 в мышцах Переносит жирные кислоты в крови
Неподвижные нити в миофибрилле Подвижные нити в миофибрилле Реснички и жгутики
Образуют комплексы с чужеродными белками Предшественник фибрина в системе свертывания крови Компонент механизма свертывания крови
Блокирует высвобождение нейромедиаторов Вещество в яде кобры, блокирующее рецепторы нейромедиатора
Регулирует метаболизм глюкозы Регулирует синтез кортикостероидов Стимулирует рост костей
Клеточные оболочки и стенки Кожа, перья, ногти, копыта Наружный скелет насекомых Шелк коконов, паутина Волокнистая соединительная ткань (сухожилия, кости, хрящи) Эластичная соединительная ткань (связки)
|
Все аминокислоты, из которых построены белки, являются молекулами альфа()–типа, поскольку в каждой из них аминогруппа находится при атоме –углерода соответствующей молекулы. Эти 20 обычных аминокислот отличаются друг от друга структурой боковых групп (рис. 2–35). Боковые группы служат буквами в белковом алфавите точно так же, как пуриновые и пиримидиновые основания образуют молекулярный алфавит нуклеиновых кислот. Специфическая линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной молекуле называется ее первичной структурой. Аминокислотные остатки полипептидной цепи соединены со своими соседями ковалентными пептидными связями с образованием плоских амидных групп. Пептидная связь образуется путем конденсации, при которой отщепляется молекула воды. Белковая молекула может состоять из одной, двух или нескольких полипептидных цепей, удерживаемых вместе ковалентными либо более слабыми связями.
Первичная структура полипептидной цепи задает ту пространственную конформацию, которую молекула будет иметь в конкретной окружающей среде. Эта конформация зависит от типа и положения боковых групп, выступающих из полипептидного остова. Кроме первичной структуры (т.е. аминокислотной последовательности) существуют еще дополнительные конформационные уровни, называемые вторичным, третичным и четвертичным.
|
Рис.2.35 А. Обобщенная структура –аминокислот; R– боковая группа (радикал).Б. Боковые группы некоторых аминокислот ( см .также табл.2–7) |
Под вторичной структурой понимают конформацию полипептидной цепи, под третичной структурой – сворачивание цепи, в результате которого получаются глобулярные или стержнеобразные молекулы, а под четвертичной структурой – соединение двух или более белковых молекул с образованием димеров, тримеров и, в ряде случаев, даже более крупных агрегатов.
|
Рис. 2.36. Трипептид. Показан плоский характер пептидных связей. |
Из–за промежуточного характера связи СN, которая является не чисто одинарной, а отчасти двойной, свободное вращение вокруг нее фактически запрещено; по этой причине атомы амидной группы вынужденно находятся в одной плоскости (рис.2–36). Остаются только две связи из трех, образующих пептидный остов, вокруг которых возможно свободное вращение. Лайнус Полинг и Роберт Кори в 1953г., используя прочные пространственные модели молекул, учитывающие взаимное расположение и размеры атомов, обнаружили, что самым простым вариантом стабильной конформации является спираль, показанная на рис. 2–37. В этой так называемой –спирали плоскости всех амидных групп параллельны главной оси спирали и на один ее виток приходится 3,6 аминокислотных остатков. Боковые группы всех аминокислот выступают из остова наружу и могут взаимодействовать с другими боковыми группами или другими молекулами. Стабильность –спирали существенно возрастает при образовании водородных связей между атомом кислорода карбонильной группы и атомом водорода амидной группы, отстоящей от данной на четыре остатка вдоль цепи (рис. 2–38). Таким образом, полипептидная цепь принимает конформацию –спирали самопроизвольно при условии, что этому не мешают боковые группы. Длинные пептидные цепи с ненарушенной конформацией –спирали характерны для фибриллярных белков, подобных тем, которые составляют основу волос, ногтей и клыков, шерсти, рогов и перьев. Шелк, вырабатываемый гусеницами, является исключением, поскольку вторичная структура его волокон образована складчатыми слоями [бета( )–кератин], а не –спиралью.
|
Рис. 2.37. Белковая –спираль с шагом 3,6 аминокислотных остатков па виток. В верхней части молекулыполипептидная цепь развернута. (Haggis et al., 1964.)
|
|
Рис. 2.38. Водородные связи между атомом кислорода карбонильной группы и атомом водорода амидной группы четвертого (по ходу цепи) аминокислотного остатка в –спирали белка. (Loewy, Siekevitz, 1969.)
|
Внутриклеточные белки, которые не несут чисто структурных функций, имеют более или менее глобулярную конформацию. Такие глобулярные белки также содержат –спирали, но их длина относительно невелика. В этих белках полипептидная цепь образует трехмерную глобулу. Характер третичной структуры в значительной мере определяется свойствами некоторых боковых групп аминокислот. Например, в боковой группе пролина (рис. 2–39) вращение вокруг связи N—С невозможно (хотя последняя и не принадлежит к пептидной связи), поскольку атом азота является частью жесткой циклической структуры. Таким образом, как только пролин (или гидроксипролин) встречается в полипептидной цепи, происходит деформация –спирали и полипептидный остов изгибается на некоторый угол, способствуя тем самым образованию глобулярной конформации. Другой фактор, влияющий на третичную структуру белка, – наличие электрического заряда на отдельных боковых группах и возникающие в результате кулоновские (электростатические) взаимодействия этих групп с другими боковыми группами.
|
Рис. 2.39. Схема, показывающая, каким образом остаток пролина может изменить направление полипептидной цепи, создавая «изломы» в структуре α–спирали и влияя тем самым на конформацию белковой молекулы.
|
Специального упоминания заслуживает боковая группа цистеина. Сульфгидрильная группа (т.е. —SH) играет важную роль в ковалентном сшивании белковой структуры (соединении двух отдельных полипептидных цепей или фиксации цепи в сложенном состоянии), поскольку два остатка цистеина могут соединиться друг с другом, образуя дисульфидный мостик (рис. 2–40). Сульфгидрильная группа весьма реакционноспособна, поэтому неудивительно, что в активных центрах ферментов часто присутствуют один или более остатков цистеина. Токсичность ртути и других тяжелых металлов объясняется отчасти тем, что они реагируют с атомом серы цистеина, замещая атом водорода. Такая реакция может «отравить» ( т.е. лишить каталитической способности) активный центр фермента.
|
Рис. 2.40. Образование дисульфидной связи, имеющее важное значение для формирования третичной структуры белка путем сшивания разных участков полипептидных цепей. |
Помимо наличия ковалентных сшивок —S—S— между остатками цистеина третичная структура белка самым непосредственным образом зависит от конформации некоторых остатков, кулоновских и вандерваальсовых взаимодействий, водородных связей. Последние три типа связей относительно слабы и термолабильны. Вот почему нагревание белка приводит к его денатурации, т. е. вызывает деформацию и разрушение его третичной структуры. Высокие температуры способны инактивировать ферменты и являются, таким образом, гибельными для живых клеток.
Важное свойство белков заключается в их способности к самосборке. Аминокислотная последовательность полипептидной цепи (и, следовательно, относительные положения различных аминокислотных боковых групп) не только определяет вторичную и третичную структуры молекулы, но и обусловливает появление участков, способных специфически взаимодействовать с некоторыми другими белковыми молекулами; это позволяет нескольким разным молекулам (субъединицам) собираться вместе и образовывать стабильные четвертичные комплексы (рис. 2–41). Такие взаимодействия могут происходить, если субъединицы имеют комплементарные участки, такие, что 1) отрицательно заряженные группы одной субъединицы оказываются напротив положительно заряженных групп другой субъединицы; 2) гидрофобные, неполярные боковые группы субъединиц, оказавшись рядом, совместно вытесняют молекулы воды.
|
Рис. 2.41. Четвертичная структура белка коллагена, состоящая из трех –спиралей, каждая из которыхзакручена в «сверхспираль». Сверхспирали удерживаются вместе водородными связями. (Dowben, 1971.)
|
Ряд ферментов и другие белки представляют собой не единичные белковые молекулы, а состоят из молекулярных субъединиц, связанных друг с другом упомянутым выше способом, без образования ковалентных связей. Например, пигмент дыхательной системы гемоглобин состоит из четырех субъединиц: двух – и двух –полипептидных цепей (рис. 2–42, А). Эти молекулы самопроизвольно собираются в комплекс, если их по отдельности добавить в раствор и перемешать. Один из вариантов объединения субъединиц в комплекс показан на рис. 2–42, Б.
|
Рис. 2.42. Молекулярная структура гемоглобина, состоящего из двух – и двух –цепей. А. – и –цепи, соединенные между собой дисульфидными мостиками. (Dowben, 1971.) Б.Кристаллографическая реконструкция молекулы. Диски — гемогруппы, которые связывают кислород. (The Hemoglobin Molecule, by M. F. Perutz. © 1964 by Scientific American, Inc.)
|