Пространственная организация белковых молекул

Выделяют 4 вида пространственной организации:

1) Первичная структура белка: последовательность расположения аминокислот в цепи, составляющей молекулу белка. Именно эта структура определяет свойства молекул белка

2) Вторичная(спираль): упорядоченное свертывание цепи в спираль

3) Третьичная: укладка белковых цепей в глобулы

4) Четвертичная: характерная для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами.

Нуклеиновые кислоты – биополимеры, состоящие из остатков фосфорной кислоты, сахаров и азотистых оснований.

 

ДНК – сахар рибоза РНК – сахар рибоза

ДНК присутствует в ядрах всех растительных и животных клеток, где она находится в комплексе с белками и является составной частью хромосом.

РНК сосредоточена в основном в цитоплазме – жидком содержимом клетки. Большую часть ДНК составляет р-РНК (рибосомная)

Рибосомы – мельчайшие тельца, на которых идет синтез белка.

Небольшое количество РНК представлено т-РНК, которая участвует в белковом синтезе.

Информация о структуре белков содержится в матричной РНК(м-РНК).

Инфа о структуре белков, закодированная в последовательности ДНК, должна передаваться от одного поколения к другому, поэтому необходимо ее безошибочное копирование – синтез т акой же молекулы ДНК(репликация).

Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической инфы, а основным свойством ДНК – является ее способность к репликации(самоудвоению).

Биофизика клетки

Клетка – элементарная структурная и функционная единица живого.

Клетка отграничена от других клеток и от внешней среды специальной мембраной и имеет ядро, в котором сосредоточена основная часть информации, контролирующая наследственность.

Структура клетки

Химический состав клетки

70-80% массы клетки составляет вода, в которой растворены разнообразные соли и низкомолекулярные органические соединения.

Основные компоненты клетки: белки и нуклеиновые кислоты. Часто клетки содержат небольшое количество запасных веществ, служащих пищевым резервом.

Главные части. Клетка состоит из трех основных частей:

1) Мембрана: кроме разграничения клетки от внешней среды выполняет защитную функцию для внутреннего содержимого, окружает гетерогенный материал, называемый цитоплазмой. В цитоплазме погружено круглое/овальное ядро. Кроме перечисленных функций мембрана выполняет рецепторную функцию(восприятие сигналов внешней среды) и транспортную функцию.

2) Цитоплазма: образует ряд специфических структур – микроворсинки, реснички, клеточные отростки. Эти структуры выполняют функцию движения.

3) Митохондрии: содержат вещества, богатые энергией, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразования энергии.

4) Рибосомы: в них содержатся клеточные белки, которые участвуют в белковом синтезе и присутствуют во всех клетках человека.

Живая клетка обладает рядом свойств: обмен веществ, раздражимостью(способностью реагировать на внутренние и внешние воздействия), ростом и размножением, подвижностью(на основе перечисленных свойств осуществляются функции целого организма).

Биофизические процессы в клетках обеспечивают реализацию механизмов нервной регуляции, регуляции физико-химических показателей внутренней среды(рН, давление..), создание электрических зарядов клеток, распространение возбуждения, выделение секретов, гормонов, ферментов, реализацию действия фармакологических препаратов.

 

Клеточные мембраны

Биофизика мембран изучает структуру и функции биологических мембран. Такие фундаментальные процессы как биосинтез, фотосинтез, трансформация и передача энергии, выведение веществ из клетки протекают с обязательным участием биомембран.

1935г. Даниелли и Давсон предложили первую модель мембраны(общую для всех клеток) как трехслойный структуры – между двумя слоями белка лежит двухрядный слой лепидов.

1956г. Даниелли и Стейн дополнили модель мембраны допущением возможности проникновения гидрофобной части белковой молекулы в лепидный биослой.

 

1972г. Синджер и Николсон предложили жидко-мозаичную модель мембраны, ныне принятую, основу которой составляют липиды, находящиеся в жидкокристаллическом состоянии, которые погружены в разной степени молекулы белка.

Виды биологических мембран

Существуют различные классификации мембран в зависимости от классификационных признаков.

1) По происхождению:

- естественные

- искусственные

2) Зачастую естественные мембраны делят по принадлежности к органоидам:

- наружная(цитоплазматическая)

- ядерная-митохондриальная

- эндоплазматическая

Биологические мембраны, как правило, имеют сложную структуру и отличаются _____ устойчивостью к внешним воздействиям. Поэтому для изучения основных свойств клеточных мембран используются различные искусственные системы, которые моделируют процессы, происходящие в биомембранах.

3) по выполняемой функции:

- фотосинтетические

- рецепторные

- энергосопрягающие

- возбудимые

- невозбудимые

4) Искусственные мембраны в зависимости от включения в их структуру различных белков, переносчиков, ферментов подразделяются на:

- модифицированные

- немодифицированные

Проницаемость мембраны – это способность мембраны пропускать через себя различные вещества – понятие динамическое, определяемое количеством молей вещества, проникающих через единицу поверхности в единицу времени.

5) по проницаемости мембраны делятся на:

- проницаемые – мембраны одинаково хорошо пропускающие вещества в обоих направлениях

- полупроницаемые – мембраны, через которые проходят только одни вещества в прямом и обратном направлении, а другие вещества не проходят вообще

- избирательнопроницаемые – мембраны, избирательно пропускающие одни соединения и не пропускающие близкие по структуре вещества.

Мембранный транспорт –

Это любой переход атомов, ионов и молекул веществ через мембрану из среды в клетку или в обратном направлении независимо от сил, путей и механизмов.

Классификация мембраного транспорта

1) В зависимости от характера связей транспорта одного вещества от переноса других веществ выделяют:

- унипорт – транспорт веществ через мембрану независимо от транспорта других соединений

- симпорт – одновременный и однонаправленный перенос веществ

- антипорт – одновременный транспорт веществ через мембрану в разных направлениях

- потранспорт – взаимозависимый транспорт веществ через мембрану

2) Мембранный транспорт можно классифицировать в зависимости от ____ энергии:

- пассивный транспорт – перенос вещества идет самопроизвольно с уменьшением свободной энергии системы

- активный – перенос вещества, как правило, против электрохимического градиента с участием АТФ, с затратой энергии непосредственно в акте переноса

- вторично-активный транспорт – перенос соединений за счет предварительно созданных градиентов, за счет первичного активного транспорта

Транспорт веществ осуществляют специальные мембранные структуры: каналы, переносчики, насосы.

Каналы – образования белковой природы, имеющие центральную полость для прохождения преимущественно ионов одного вида, и механизмов, обеспечивающих их открытие и закрытие.

Переносчики – молекулы веществ, осуществляющие транспорт веществ в результате взаимодействия с переносимым веществом.

Насосы – мембранные АТФ, специализирующиеся на противоградиентном переносе за счет энергии АТФ.

 

 

Биоэлектрические явления

Процессы жизнедеятельности неразрывно связаны с различными формами биоэлектрических явлений. Они сопровождают возникновение возбуждения и его проведение по нервным волокнам, сокращение волокон мышц, процессы всасывания в ЖКТ, восприятие вкуса, запаха и т.д.

Причиной возникновения биоэлектрических явлений являются постоянно происходящие в процессе жизнедеятельности перераспределения ионов на мембранах и их транспорт.

На практике они регистрируются как разность электрических потенциалов между двумя точками живой ткани, которая измеряется с помощью микроэлектродов.

Потенциал покоя

Между внутренней и наружной поверхностями клеточной мембраны всегда существует разность потенциалов, которая называется потенциалом покоя.

На основании экспериментального материала было установлено, что цитоплазма клеток в состоянии покоя имеет «-»

Потенциал по отношению к потенциалу межклеточной жидкости.

Причиной возникновения потенциала покоя является неравномерное распределение ионов Na и К между содержимым клетки и окружающей средой. Концентрация ионов К внутри клеток в 20-40 раз превышает их содержание в окружающей клетку жидкости. Напротив, концентрация Na в межклеточной жидкости в 10-20 раз больше, чем внутри клетки. Такое распределение обусловлено работой натриево-калиевого насоса(насос переносит из клетки во внешнюю среду 3 иона Na в обмен на перенос 2-х ионов К внутрь клетки за счет молекулы АТФ)

Согласно теории, клеточная мембрана в состоянии покоя проницаема только для ионов калия. Если принять во внимание, что потенциал покоя определяется диффузией ионов калия из цитоплазмы наружу, то его величина определяется из уравнения Нернста:

-- отношение концентраций К снаружи к внутренней

R – газовая постоянная, n—валентность К, F – число Фарадея, T – абсолютная температура.

В состоянии покоя мембрана в небольшой степени проницаема для ионов Na и Cl. Мембранный потенциал представляет собой результирующую ЭДСил, генерируемых всеми 3 каналами.

Соотношение коэффициентов проницаемости покоя:

Р_к: Р_Na: P_cl = 1: 0,04: 0,45

Потенциал действия

Все клетки возбудимых тканей при действии различных раздражителей способны переходить в возбужденное состояние. К возбудимым относятся: нервная, железистая и мышечная ткани.

Возбудимост ь – способность клеток к быстрому ответу на раздражение. Обязательным признаком возбуждения является изменение электрического состояния клеточной мембраны.

Общее изменение разности потенциалов между клеткой и средой,происходящее при пороговом и сверхпороговом возбуждении клетки называется потенциалом действия.

Если измерить разность потенциалов между возбужденным и невозбужденным участками, то возбужденный участок будет электроотрицательным по отношению к невозбужденному. Когда применили методику внутриклеточного отведения потенциалов, то обнаружили, что при возбуждении мембранный потенциал не просто падает до 0, а продолжает изменяться некоторое время.

Возникновение потенциала действия связано с увеличением проницаемости мембраны для ионов Na и последующим усилением диффузий этих ионов внутрь клетки, что приводит к изменению мембранного потенциала(уменьшается). Уменьшение потенциала ниже критического уровня приводит к увеличению проницаемости мембраны и сопровождается усилением диффузий Na в цитоплазме, вызывает еще более значительную деполяризацию мембраны. Интенсивность потоков ионов К из клетки наружу в первые моменты времени остается прежним. Усиленный поток Nа вызывает вначале исчезновение избыточного отрицательного заряда на внутренней поверхности мембраны, а затем приводит к перезагрузке мембраны(овершут).

Поступление ионов Na в клетку продолжается до тех пор, пока внутренняя поверхность мембраны не приобретет «+» заряд достаточный для уравновешивания и прекращается до его дальнейшего перехода в клетку. Отношение коэффициента проницаемости в этот момент следующая:

Р_к: Р_Na: P_cl = 1: 20: 0,45

Величина мембранного потенциала в момент возбуждения определяется следующим образом:

Общее изменение мембранного потенциала будет складываться из потенциала покоя и потенциала при возбуждении. Амплитуда потенциала действия достигает от 90-130 мВ.

Период, в течение которого проницаемость для ионов натрия увеличивается, является небольшим (1 минута) в следующий за этим – наблюдается увеличение проницаемости мембраны для ионов калия. Таким образом, поток ионов калия из клетки наружу возрастает, а встречный поток ионов натрия уменьшается. Это происходит до тех пор, пока не восстановится потенциал покоя – реполяризация мембраны.

Итого: формирование потенциала действия обусловлено двумя потоками через мембрану: поток ионов натрия внутрь клетки приводит к перезарядке мембраны, а противоположно направленный поток ионов калия обуславливает восстановление исходного потенциала покоя.