- •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
3.5.6. Кофакторы
Как мы уже отмечали, некоторые ферменты проявляют свою каталитическую активность лишь совместно с малыми молекулами небелковой природы, называемыми кофакторами. В этом случае белковую часть фермента называют апоферментом. Один класс кофакторов составляют малые органические молекулы – коферменты, которые активируют соответствующие апоферменты, акцептируя атомы водорода или протоны от ES. Например, ферменту глутаматдегидрогеназе требуется кофермент NAD (никотинамидадениндинуклеотид),который отщепляет атом водорода от глутамата:
Глутамат + NAD –Кетоглутарат + NADH + NН3.
Многие коферменты являются производными витаминов. Поскольку апоферменты не функционируют без своих коферментов, неудивительно, что недостаток витаминов может приводить к серьезным последствиям.
Другим ферментам в качестве кофакторов требуются одно– или двухвалентные ионы металлов; при этом обычно наблюдается высокая ионная избирательность. Некоторые ферменты, активируемые ионами, указаны в табл. 3–4 вместе со своими ионами–кофакторами. Особого упоминания заслуживает ион кальция, который отличается от большинства других распространенных и важных в физиологическом отношении ионов тем, что его концентрация в клетке очень мала (менее 10–6 М). Другие ионы, например Mg2 + , Na + , К + и Cl¯, обычно присутствуют в клетке в избыточных концентрациях, а содержание Са2+ относительно некоторых ферментов является лимитирующим. Концентрация Са2+ в цитоплазме регулируется наружной мембраной и внутриклеточными органеллами, в том числе митохондриями (см. гл. 9). Таким способом клетка может регулировать активность Са2+ –зависимых ферментов. К физиологическим процессам, регулируемым ионами кальция, относятся мышечное сокращение, секреция нейромедиаторов и гормонов, активность ресничек, самосборка микротрубочек и амебоидное движение.
Т а б л и ц а 3–4. Некоторые ферменты и эффекторы, требующие или содержащие в качестве кофакторов ионы металлов (Lehninger, 1975)
Zn2 + Алкогольдегидрогеназа Карбонат–дегидратаза Карбоксипептидаза Са2 + Протеинкиназа С Тропонин Фосфодиэстераза Mg2 + Фосфогидролазы Фосфотрансферазы Мn2 + Аргиназа Фосфотрансферазы Fe2+ или Fe3 + Цитохромы Пероксидаза Каталаза Ферредоксин Cu2 + (Cu+) Тирозиназа Цитохромоксидаза K+ Пируватфосфокиназа (нуждается также в Mg2 + ) Na+ АТРаза плазматической мембраны (нуждается также в К+ и Mg2 + )
|
3.5.7. Кинетика ферментативных реакций
Скорость ферментативной реакции зависит от концентраций субстрата, продукта реакции и активного фермента. Для простоты предположим, что продукт выводится из системы сразу после его образования. Скорость реакции будет лимитироваться концентрацией фермента или субстрата. Допустим далее, что фермент в системе присутствует в избытке, так что скорость, с которой субстрат А превращается в продукт Р, в реакции
k
A P
определяется концентрацией субстрата:
d A / dt = k A (3–5)
где [А] – текущая концентрация субстрата, k– константа скорости реакции, a d[A]/dt–скорость превращения А в Р. Кинетические кривые расходования А и накопления Р представлены на рис. 3–18. Можно видеть, что [А] падает по экспоненциальному закону, а [Р] растет также по экспоненте. Экспоненциальная временная зависимость имеет место всегда, когда скорость изменения какой–либо величины (в данном случае d[A]/dt) прямо пропорциональна текущему значению той же величины (в данном случае [А]). О кинетике такой реакции говорят, что это кинетика первого порядка (рис. 3–19, Б). Константа скорости реакции первого порядка имеет размерность обратного времени, т. е. с–1. Величина, обратная константе скорости, называется постоянной времени и имеет размерность времени. Таким образом, для реакции первого порядка с константой скорости 10с–1 постоянная времени составляет 0,1 с.
|
Рис. 3.18. Кинетические кривые изменения концентраций субстрата S и продукта Р в реакции S P
|
|
Рис. 3.19. Кинетические кривые нулевого (А) и первого (Б) порядков в координатах, дающих линейную зависимость от времени. Здесь х — количество субстрата А, прореагировавшего за время t, a – исходное количество А в момент времени t = 0. Обратите внимание на то, что график кинетики первого порядка представлен в полулогарифмических координатах, в которых прямая линия отвечает экспоненциальной временной зависимости |
В ферментативной реакции с двумя субстратами, А и В,
|
k |
|
А + В
|
|
Р, |
скорость расходования А прямо пропорциональна произведению [А] [В]:
d A / dt = kA B (3–6)
Такая реакция протекает согласно кинетике второго порядка.
Следует отметить, что порядок реакции не определяется числом разновидностей субстрата, участвующих в реакции, а лишь теми из них, концентрация которых лимитирует скорость реакции. Так, если концентрация компонента В много больше концентрации А, реакция А + В Р превратится в реакцию первого порядка, поскольку скорость реакции лимитируется концентрацией лишь одного субстрата.
Скорость реакции не будет зависеть от концентрации субстрата, если лимитирующей является концентрация фермента и все молекулы фермента находятся в комплексе с субстратом (т. е. если произошло насыщение фермента). Такие реакции протекают согласно кинетике нулевого порядка (рис. 3–19, А).
Если построить график зависимости начальной скорости v0 реакции S Р от концентрации субстрата [S] при постоянной концентрации фермента, то мы увидим, что в области малых концентраций имеет место реакция первого порядка (т. е. v0 [S]). При более высоких концентрациях субстрата, однако, она переходит постепенно в реакцию нулевого порядка, поскольку весь фермент насыщается субстратом и v0 лимитируется в конечном счете концентрацией фермента, а не субстрата (рис. 3–20). В живой клетке протекают самые разные в кинетическом отношении реакции, в том числе реакции смешанного порядка.
|
Рис. 3.20. При постоянной концентрации фермента начальная скорость v0 реакции S Р линейно возрастает с увеличением концентрации субстрата; далее происходит насыщение фермента субстратом, и, начиная с какого–то значения [S], скорость реакции лимитируется величиной E]
|