- •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
3.6. Механизмы регуляции метаболизма
Если бы отсутствовала регуляция скоростей реакций, метаболизм в клетке осуществлялся бы внутренне несогласованно и был неуправляем. Рост, дифференцировка и функционирование организма были бы невозможны, не говоря уже о компенсаторной реакции биологических систем в ответ на внешние раздражители. Регуляция осуществляется в основном путем изменения концентрации и активности различных ферментов, которые катализируют практически все биохимические реакции. Ниже мы рассмотрим три основных типа регуляции метаболизма.
3.6.1. Генетическая регуляция синтеза ферментов
Концентрация фермента в клетке определяется соотношением скоростей его синтеза и разрушения. Молекулы фермента денатурируют при повышении температуры и расщепляются под воздействием протеолитических ферментов. Скорость синтеза может снижаться при определенных обстоятельствах, например при недостаточном питании или при нехватке предшественников аминокислот, но в нормальных условиях скорость синтеза любого фермента регулируется посредством генетических механизмов регуляции. Структурные гены (т. е. сегменты молекулы ДНК, кодирующие аминокислотные последовательности одной или нескольких полипептидных цепей, из которых состоит молекула фермента) могут «выключаться» при помощи белков–репрессоров, которые кодируются генами–регуляторами. Молекула репрессора препятствует транскрипции структурного гена с ДНК в РНК, связываясь с геном еще одного типа, так называемым оператором. Последний контролирует транскрипцию с образованием матричной (информационной) РНК одного или нескольких структурных генов, которые входят в состав оперона, «обслуживаемого» данным оператором. Одновременная регуляция синтеза ферментов, кодируемых опероном, осуществляется путем взаимодействия гена–регулятора с геном–оператором. Схема такой регуляции изображена на рис. 3–25. Белки–репрессоры могут связываться с некоторыми низкомолекулярными веществами–индукторами, в результате чего последние оказываются неспособными образовывать комплекс со своими генами–операторами. Таким образом, индуктор устраняет репрессию структурных генов, включая тем самым синтез ферментов, который до этого был подавлен. Такая схема, предложенная Франсуа Жакобом и Жаком Моно в 1961 г., объясняет явление ферментативной индукции, согласно которому синтез ряда ферментов начинается в клетке лишь после того, как там появляется субстрат (или его предшественник) для соответствующего фермента (рис. 3–26). Этот процесс иллюстрирует экономичность метаболизма, так как индуцибельные ферменты синтезируются лишь по мере возникновения потребности в них. После появления субстрата в клетке он связывается с репрессором, в результате чего прекращается репрессия (т.е. становится возможной транскрипция) соответствующего оперона. Таким образом, сегменты ДНК, которые до этого находились в неактивной форме, теперь могут служить матрицей для синтеза аминокислотных последовательностей ферментов.
|
Рис. 3.25. Оперенная модель регуляции синтеза ферментов путем регуляции экспрессии генов. (Goldsby, 1967.)
|
|
Рис. 3.26. Кинетика индукции синтеза фермента после добавления соответствующего субстрата. (Dowben, 1971.)
|
Транскрипция структурных генов (и, следовательно, синтез соответствующих ферментов) в некоторых случаях регулируется также конечным продуктом последовательности анаболических (биосинтетических) реакций. При этом репрессор, синтезированный с матрицы гена–регулятора, находится в неактивном состоянии до тех пор, пока не свяжется с малой органической молекулой – корепрессором, продуцируемым в конце анаболической цепи превращений (рис. 3–27). Комплекс репрессора с корепрессором связывается с оператором, что не позволяет начать транскрипцию структурного гена, кодирующего фермент, который действует на ранней стадии соответствующего биосинтетического пути. Таким способом контролируется весь этот путь и скорость выхода его конечного продукта. Если по какой–то причине конечный продукт начинает накапливаться, например из–за замедления его включения в клеточные структуры, то снижается скорость реакций на всех этапах этого пути из–за снижения скорости синтеза соответствующего фермента.
|
Рис. 3.27. Ингибирующее действие конечного продукта на синтез фермента. А. Цепь отрицательной обратной связи, благодаря которой синтез Е1 подавляется при накоплении корепрессора на одном из последующих этапов в цепи последовательных реакций. Корепрессор связывается с молекулой репрессора, и образовавшийся комплекс инактивирует ген, кодирующий Е1. Б. Уменьшение содержания Е1 по мере накопления корепрессора |
Генетические регуляторные механизмы чрезвычайно важны для развития организма. Все соматические клетки данного животного содержат идентичную информацию, закодированную в структуре их ДНК, однако наборы разных ферментов, кодируемых этим генетическим материалом, в клетках разных тканей существенно неодинаковы. Это означает, что в любой данной ткани одни гены «включены», а другие «выключены». Такая ситуация может реализовываться частично через механизмы ферментативной индукции и репрессии в ответ на различия в локальных химических условиях в разных клетках развивающегося организма.