Структура плазматической мембраны

Все биомембраны построены одинаково; они состоят из двух слоев липидных молекул толщиной около 6 нм, в которые встроены белки. Некоторые мембраны содержат, кроме того, углеводы, связанные с липидами и белками. Соотношение липиды: белки: углеводы является характерным для клетки или мембраны и существенно варьирует в зависимости от типа клеток или мембран (см. с. 218).

Компоненты мембран удерживаются нековалентными связями (см. с. 12), вследствие чего они обладают лишь относительной подвижностью, т. е. могут диффундировать в пределах липидного бислоя. Текучесть мембран зависит от липидного состава и температуры окружающей среды. С увеличением содержания ненасыщенных жирных кислот текучесть возрастает, так как наличие двойных связей способствует нарушению полукристаллической мембранной структуры. Подвижными являются и мембранные белки. Если белки не закреплены в мембране, они «плавают» в липидном бислое как в жидкости. Поэтому говорят, что биомембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру.

В то время как «дрейф» в плоскости мембраны происходит достаточно легко, переход белков с внешней стороны мембраны на внутреннюю («флип-флоп») невозможен, а переход липидов происходит крайне редко. Для «перескока» липидов необходимы специальные белки транслокаторы. Исключение составляет холестерин, который может легко переходить с одной стороны мембраны на другую.

V. МОДЕЛЬНЫЕ МЕМБРАННЫЕ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ МЕМБРАННЫХ ФЕРМЕНТОВ

Несмотря на то, что свойства ферментов в системах, моделирую&

щих их мембранное окружение, могут изменяться по сравнению с

реальной средой, изучение очищенных и реконструированных фер&

ментов дает большие преимущества. Этот подход позволяет не только

охарактеризовать фермент в изолированной системе, но и определить

минимальное число компонентов, необходимых для проявления тех

или иных биохимических активностей [1, 2, 37, 40].

В мембранологии в настоящее время используется целый ряд

систем, предложенных для моделирования биомембран. В их числе:

— поверхности раздела фаз;

— монослои липидов на границе воздух–вода;

— монослои липидов на твердой подложке;92 С.В.Гринштейн, О.А.Кост

— плоский липидный бислой;

— плоский бислой на твердой подложке;

— фосфолипидные везикулы — липосомы;

— дисперсии фосфолипидов в воде;

— гидратированные агрегаты синтетических ПАВ или природных

липидов в органических растворителях.

Большинство из перечисленных систем не находят широкого

применения в энзимологии из&за ряда ограничений. Например, в

монослойные мембраны можно включать только ферменты, которые

функционируют на границе раздела липид&вода. К таковым относятся

липазы [2], которые, действуя на мембранные липиды, влияют на

площадь поверхности и поверхностное давление монослоя. Встраи&

вание в плоский бислой применяется обычно для характеристики

белков, способных увеличивать ионную проводимость мембраны [72].

Чаще всего белки встраивают в везикулы, образованные одинар&

ным фосфолипидным бислоем [2, 69], которые могут служить моделью

компартментализации в биологических системах. С помощью этих

систем было подтверждено влияние физического состояния мембра&

ны — поверхностного заряда, плотности упаковки липидов (текучес&

ти), толщины бислоя, кривизны бислоя, структурных флуктуаций —

на активность мембранных ферментов. Так, использование для

реконструкции ферментов однослойных везикул, образованных липи&

дами с разной длиной углеводородных цепей или степенью ненасы&

щенности углеводородных цепей, позволяет изучить соответственно

влияние толщины бислоя и текучести мембран на каталитические

свойства ферментов. Например, таким образом было показано, что

активность цитохрома Р&450 строго зависит от толщины бислоя [80].

В то же время при добавлении в везикулярную систему липидов,

не образующих бислойные структуры (таких как фосфатидилэтанол&

амин или диацилглицерин), может быть продемонстрирована роль

изменения кривизны бислоя. Показано, что при функционировании

как интегральных (родопсин, Ca

2+

&АТФаза, цитохром Р&450, мито&

хондриальная убихинон&цитохром С редуктаза, дигликозилдиацил&

глицерин&синтетаза, маннозилтрансфераза), так и периферических

ферментов (фосфолипаза А

, протеинкиназа С) между функцией

белка и присутствием в бислойной системе таких липидов существует

прямая связь [34]. Например, структурные флуктуации липидов

оказываются необходимым условием для активации транспортной

Ca

2+

&АТФазы саркоплазматического ретикулума [61]. Увеличение

содержания в системе липидов, вызывающих образование небислой&

ных структур, приводило к резкому увеличению скорости переноса

Ca

2+

внутрь липосом. Скорость гидролиза липидов под действиемÑòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíûå îñîáåííîñòè ìåìáðàííûõ áåëêîâ 93

фосфолипаз А

и С [30], низкая для ламеллярной упаковки фосфа&

тидилхолина (ФХ) в монослойных везикулах, возрастала при введе&

нии в систему диацилглицеринов.

Использование суспензии смесей липидов в воде, в которых в

зависимости от соотношения компонентов образуются различные

агрегаты липидов, в том числе обращенные мицеллы и гексагональные

структуры, позволяет выявить оптимальную конструкцию матрицы

для функционирования различных ферментов. В частности, для

митохондриальной АТФазы, солюбилизированной в водной сус&

пензии смеси ФХ и фосфатидилэтаноламина (ФЭ), наблюдалась

существенная зависимость активности от изменения структуры

липидного окружения, определяемого соотношением [ФХ]/[ФЭ] в

смеси. В системах с ламеллярной (более 30% содержания ФХ) и

обращенной гексагональной структурой (менее 10% ФХ) активность

фермента была относительно низкой. При этом в области перехода

между этими двумя структурами каталитическая активность АТФазы

существенно возрастала, достигая своего оптимума в случае, когда в

системе основной структурной единицей являлись обращенные

мицеллы (при 15% ФХ) [44]. В то же время каталитическая активность

маннозилтрансферазы индуцировалась исключительно гексагональ&

ной упаковкой липидного окружения в водной дисперсии смеси Ф Х

и фосфатидилинозитола [46].

Кроме вышеперечисленных методов реконструкции мембранных

белков, в энзимологии успешно применяются псевдогомогенные

коллоидные системы на основе синтетических ПАВ — структурных

аналогов природных липидов (рис. 4) [9]. В таких системах в зави&

симости от концентрации компонентов могут возникать все струк&

туры, характерные для водных дисперсий мембранных липидов:

Рис. 4. Строение широко используемого анионного ПАВ — аэрозоля ОТ (1) и

фосфатидилхолина (2).94 С.В.Гринштейн, О.А.Кост

обращенные и прямые мицеллы, жидкокристаллические структуры,

в том числе ламеллярная, прямая и обращенная гексагональная и

кубическая упаковки. Пример такой фазовой диаграммы для системы

Аэрозоль ОТ–октан–вода приведен на рис. 5 [73]. Принципиально

важным достоинством таких систем является возможность целена&

правленного варьирования основных физико&химических параметров

системы путем простого изменения соотношения компонентов.

Гидратированные агрегаты синтетических ПАВ в органических

растворителях просты в приготовлении, устойчивы в течение многих

часов в присутствии добавленного белка (от 10 до 10

нг/мл) и

равновесное состояние в них достигается быстро — минуты [9].

При солюбилизации в такой системе белки включаются во

внутреннюю полярную полость агрегатов ПАВ, приобретая оболочку

из монослоя гидратированных молекул ПАВ, предохраняющих их от

денатурирующего действия органического растворителя. Ферменты

при этом не теряют способности к катализу, а динамический характер

системы, обеспечивающий быстрый обмен компонентами, позволяет

изучать взаимодействия ферментов с различными эффекторами

(субстратами, ингибиторами, кофакторами и т.д.) [14, 16, 53]. Эти

свойства выгодно отличают этот способ реконструкции от других

систем.

 

37. Ковалентные и слабые связи.

Ковалентные связи.

взаимод атомов биол молекул-химич эквивалент свзяли-сильные (больш колв-ов Е)

сидбное взаимо определ первчи стру-ру биополимеров. ковал св мб как простые так и кратные. они образ внешними электрон взаимод атомов-общая электрич связи-общая эл пара соотв валентному штриху.

Ковал:

1 Е связи (А необх для её разрыва)

2-дина связи-равновес расстояние между ядрами атомов

3-геометрич распол свзяли

в обл перекрывани прлотность наиб, вероят нахожд увелич

в случ не насыщ свзяли макс плот-ть на и под штрихом

 

простые и кратные св отлич конформвционными св-ами. поворот простой-легко без разрыва.

вокруг 2ой связи треб разрыв пи св

в этаки 3 ккал на моь

вращ..в этилене (я в) 40 ккал на моль

но биол моле не могули бы функц,если бы помимо силн ковал св внутри биомол и между ними не было ни валентные ни химич слаб связи

21. Слабые связи.

слабые:

1) ионные св-ионы или заряж частицы

сила взаим -з кулона

Е взаим: U=e1*e2/E(закруг)r

U-е взаим с зарядами е 1 и е2

E zak диэлектрич прониц среды завси отраст-ти

r рассоян между ионами

разноим притяг у меньше 0

обноим оттал у больш 0

2) ион-дипольные силы-ионы и полярные группы мол

3) ориентационные силы-электростатич взаимпод между диполями

-антипаралленльно

2 в хвост друг друга

U обратно пропор кубу расстояния между ними

4) индукционные силы-пост диполь индуцирует др молекуле дипольный момент с которым он взаимод

p=aE

а-поляризуемость, характ спос-ть электрич облочки смещ под дейт электростатич поля.

перечисл слаб взаимод -электростатич,Е притяж и отталк на основе классич электростатики, квантов эффекты не существ

5) дисперсионные силы-для валентно насыщ эл облочек атомов и молекул-сила не завис от налч зардов дипольных моментов. взаимод между молеку N,O инертных газов

эти силы определ не идеальное поведение без дипольных газов, отв за существов молекул кристаллов(орг в-ва) дисперсион силы им квантовую механич природу.

в осн дисперсного взаимод -представление элект -гармоничными асцеляторами(элект не стабильны, суз нулевые колеб электр, кот связс появл мгновенноных дипольных моментов в молекуле)

появл диполь момента в 1 мол-эл. поле--индуцир дипол момент в дру молекуле.

между 2мя один. асцеляторами-мгнов диполь-дпольное взаимод-и--первоначальное колебание этих 2х асцеляторов меняется--взамодейдствие

по др дисперс силы назыв Лондоновскими вмсетс ориентац и индукцин образ вандервальское взаимод созд атоами 2 в группах -H N-H F-H Cl-H S-H в рез-те водрод свзя эти кр с валентно не насыщ атомамию

энерг водородных связи не велика от 4 до 29 кДж на моль, но они опреде уник строения и св-ва воды и формир 2у. стр-ру биополимеров Е водор св зависит от ссиметрии чем больше ассиметрия. тем ниже энергия св

 

 

з сохранение энер 19 в для с-м (большое значение тепловые процессы)

согласно 1 з тд -тд с-ма (пар)

м совершать А только за счёт своей U или каких=то внещних источниктов Е

1ое начало тд обясн не возможность существ вычного двиг 1го рожа

сущность 1 зтд: при сообщении тд с-ме нек кол-ва теплоты происх измен U

Q=дель U +A

Q & A-не завис измер величины

дел U=Q-A

A-произведенеие давление на измен объём-работа разширение A=pдел V

живые с-мы не могут раб как тепловые машины. в живых системах А соверш за счёт внутр Е различных бх проц. При это не движ сила, а побочная потеря

химич и биол р-ии обычно протек при р=конст или V=const -в кач тд функции исполь не Q, а энтальпию(теплосодерж с-мы) H=delU+pdelV)

a delH м определить QЮ поглощ с-ой

38. Динамические модели биологических систем. Понятие фазовой плоскости. Фазовой портрет системы.

процессы ы биосист сложны и разнообра полное представление о из повед полкчить не позм. исп методы моделилирования- метод, замен реальный изуч объект идеальным кот сохр лишь часть св-в реального об сущ при том или ином рассмотрении

моделиь ествест роста чисти популяции

им попуяция бак. для построен её модеи

-форм осн допущения и из математич сформулир

пусть сущ только проц размнож и ест гибели особей скорость кот пропорц чист-ти в люб момент времени

нет больбы за среду обит

мат модель: величины

x-чис-то попул

R-скор размно

S скор смерти

гамма коэф размнож

закорючка коэф смерти

dx/dt=R-S

R зависит от числа особей и t

R=f(x,dt) растёт если переменный увелич =0, если 1 из перемен=0

R=гамма xdt

S=-закорючка xdt

dx/dt=(гамма-закор)X

e(как)=гамма-закор-емографический коэф

e<0 ис-ть особей падает

e>0 численность растёт неогранич по времени

e=0 чис-ть не мен

эта модель адекватна реальной лишь до опред значения, тк не учт мн важных факторов след в с-ме уравнений, опис некую биологич с-му отразить все наиб знанич св-ва. но с-мы таких диффер уравнений очень перегруз--опитим явл модели, сос из неб числа диффер ур. для постоянеия моделей-принципузкого места, осн на разделении всех перемен, хар с-му на быструю и медленную--в пределах одной цепочти взаимо р-ий и процессов им как быстрые так и медленные процессы

по принципу узкого места м общая скорость всей цепи реакции определ по наиболее медленной стадии-узкое место. чтобы возд на время р-ии-воздейст на узкое место. при внених возмумущ в системе вохм как быстрые так и медленные переменные, но эти изменения протек с разной скорости

в ус-ой с-ме: быстрые переменные быстро отклон от исх,но и быстро возращ--колябляся вокруг стационарных значений. медленные измен в ходе длит переходных проц,кот. опделеяют динамику всей с-мы

12. Понятие фазовой плоскости. Фазовый портрет системы.

фазовую с-му м охаракт как совокупность переменных и параметров. эти величины в каждом момент времени приним определ значение для кач х-ки такой фаз с-мф метод фазовой плоск-ти.

фазовая пл-ть-пло-ть с осями координат на кот отлож нача переменные, остаж сост с-мы т.о., что кажд точка этой п-ти -опреленное состояние с-мы, х,у медленные...

в каждый след момент вреинеи т М будет двиг в сообтв реуправления

пос-то точна на фазовой пл-ти, отраж значение х и ц на пути перехода образва линейнофазовую траекторию

сов-ть фазовых траекторий, откаж кач черты повед с-мы вл времени-фазовый портрет с-мы. при постро-ии кинетич модели переменные выр в безразмерных величинах.

различ фазовые портреты позвол судить о состоянии с-мы. особ интересны портрыты вблизи стацион состояний, т.к. говорим о моделях живых с-м. для нахожд стац точти строится 2 кривые на фазовой пл-ти...

ывжной задачей -определ уст-ти точек. об уст судят по поведению с-мы в случ небольшого отклон от стац точти.

устойч и не устой сос-ние отлич фазовыми портретами..

39. Свободные радикалы. Методы изучения. Классификация свободных радикалов.

Хорошо известно, что в органических молекулах (включая те, из которых состоит наш организм) электроны на внешней электронной оболочке располагаются парами: одна пара на каждой орбитали. Свободные радикалы отличаются от обычных молекул тем, что у них на внешней электронной оболочке имеется неспаренный (одиночный) электрон. Это делает радикалы химически активными, поскольку радикал стремится вернуть себе недостающий электрон, отняв его от окружающих молекул и тем самым их повреждая. Неспаренный электрон в радикалах принято обозначать точкой. Например, радикал гидроксила обозначают как HO·, радикал перекиси водорода как HOO·, радикал супероксида как ·OO^- или O₂·^-. Ниже даны формулы двух радикалов этилового спирта: CH₃CH₂O·; CH₃^•СHOH