Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Молекулярная биология

Введение

Молекулярная биология, наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез белков, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, превращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта молекулярной биологии — изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; далее — системы, стоящие на границе живой и неживой природы, — вирусы, в том числе и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи — нуклеиновых кислот и белков.

Молекулярная биология — новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией, биофизикой и биоорганической химией. Разграничение здесь возможно лишь на основе учёта применяемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

Фундамент, на котором развивалась М. б., закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элементарных процессов и т. д. По истокам своего развития М. б. неразрывно связана с молекулярной генетикой, которая продолжает составлять важную часть М. б., хотя и сформировалась уже в значительной мере в самостоятельную дисциплину. Вычленение М. б. из биохимии продиктовано следующими соображениями. Задачи биохимии в основном ограничиваются констатацией участия тех или иных химических веществ при определённых биологических функциях и процессах и выяснением характера их превращений; ведущее значение принадлежит сведениям о реакционной способности и об основных чертах химического строения, выражаемого обычной химической формулой. Т. о., по существу, внимание сосредоточено на превращениях, затрагивающих главновалентные химические связи. Между тем, как было подчёркнуто Л. Полингом, в биологических системах и проявлениях жизнедеятельности основное значение должно быть отведено не главновалентным связям, действующим в пределах одной молекулы, а разнообразным типам связей, обусловливающих межмолекулярные взаимодействия (электростатическим, ван-дер-ваальсовым, водородным связям и др.).

1. Структура биомембран

1.1 Общие представления

Как известно в клетке много разных мембран – плазмолемма, или плазматическая мембрана (окружает клетку); внутренняя и наружная мембраны ядерной оболочки, внутренняя и наружная мембраны митохондрий; мембраны ЭПС (эндоплазматической сети), лизосом, пероксисом и прочих мембранный структур.

Между этими мембранами существует определенные различия, но имеется и немало общего. Самое главное - то, что все они построены по одному и тому же принципу (рис. 1.1)

(рис. 1.1)

В основе биомембраны – двойной слой амфифильных липидов (или липидный бислой). Конкретно, практически каждая молекула мембранного липида (рис 1.2) имеет гидрофильную «головку» и два гидрофобных «хвоста». Каждый из последних представляет собой длинную углеводородную цепь, причем обычно одна из этих цепей – предельная (т.е. не содержит двойных связей), а вторая – непредельная (имеет одну или более двойных связей).

(рис. 1.2)

В водной среде такие амфифильные молекулы самопроизвольно образуют бислой, в котором гидрофобные части молекул ориентированы друг к другу, а гидрофильные к воде.

Кроме того, в состав мембран входят белки (см. рис. 1.1).

При этом т. н. интегральные белки глубоко встроены в мембрану, насквозь пронизывая липидный бислой. А периферические белки лишь связаны с одной из поверхностей мембраны.

Контакт белков с липидами бислоя происходит по тому же принципу: с гидрофобными частями липидов взаимодействуют неполярные (гидрофобные) радикалы аминокислот, а с гидрофильными «головками» - полярные и заряженные радикалы.

Кроме липидов и белков, во многих (хотя и не во всех) мембранах обнаруживаются углеводороды. Но не в качестве самостоятельных компонентов, а как составные части соответствующих липидов (гликолипидов) и белков (гликопротеинов). Чаще всего углеводы представлены олигосахаридными цепями и в случае плазмолеммы расположены с наружной ее поверхности.

Все эти молекулы объединяются в мембраны, как считают, путем самосборки.

Под световым микроскопом мембраны неразличимы.

При электронной же микроскопии они выглядят в виде срединной светлой полосы и двух периферических электроноплотных полос. Светлая полоса – это гидрофобная часть липидного бислоя; темные полосы образованы гидрофильными «головками» липидов и белками.

Количественные характеристики вот некоторые количественные показатели, характеризующие содержание и размеры мембранных молекул.

а) Соотношение по общей масселипидов и белков в мембранах обычно близко к 1:1, но иногда варьирует от 4:1 до 1:4.

б) При этом липиды (в отличие от белков) являются низкомолекулярными веществами: молекулярная масса большинства мембранных липидов – около 740 Да, а для холестерина – почти вдвое ниже. Это практически на два порядка меньше молекулярной массы многих белков.

в) По этой причине количество липидных молекул в мембране клетки (в частности, в плазмолемме) на те же два порядка больше, чем количество молекул белков.

г) Естественно, значительно различается и площадь мембранной поверхности, приходящаяся на отдельные молекулы. Для липидной молекулы – это примерно 0,5 нм(2), а для белковой молекулы – порядка 20 – 30нм(2).

д) Толщина же мембраны во многом определяется продольными размерами липидных молекул. Длина углеводородного «головок» липидов) -5,3 нм. Наконец, за счет белков толщина мембраны увеличивается до 7 – 10 нм.

е) В случае плазмолеммы с внешней поверхности находится еще гликокаликс, толщина которого может варьировать от 4 до 200 нм, причем не только в зависимости от вида клетки, но и разных участках одной и той же клетки.

Гликокаликс – это совокупность различных белков (часто – гликопротеинов), связанных с плазмолеммой. Некоторые из данных белков являются ферментами.

Основные свойства мембран отметим следующие общие свойства мебран.

1) Замкнутость. Липидные бислои (и мембраны) всегда самостоятельно замыкаются на себя с образованием полностью отграниченных отсеков. Действительно, лишь в этом случае все гидрофобные части липидов оказываются изолированными от водной фазы.

По той же причине при нарушении целостности мембраны происходит ее «самосшивание».

2) Латеральная подвижность. Несмотря на замкнутость мембран, их структура при температуре тела не является жесткой. Компоненты мембраны могут перемещаться в пределах своего слоя. В большой степени это относится к липидам, но в немалой мере – и к белкам. Так , в результате случайной диффузии молекула крупного белка массой 100 000 Да за 10 с перемещается в мембране в среднем на 2,5 мкм, а молекула липида за то же время – в среднем на 5,5 мкм. По сравнению с размерами самих молекул это очень большие расстояния.

Тем самым мембраны обладают свойствами двумерных жидкостей. По этой причине модель строения биомембран называется жидкостно – мозаичной (мозаичной – поскольку белки находятся в мембране не на всем ее протяжении, а в виде отдельных островков).

Кроме латеральной подвижности, некоторые мембранные белки способны совершать вращательные движения, меняя свою ориентацию относительно поверхностей мембраны. Так функционируют некоторые мембранные переносчики: связав вещество с одной стороны, они поворачиваются в мембране на 180 градусов и высвобождают вещество с другой стороны мембраны. Белки с углеводными компонентами к подобному вращению никогда не способны – в силу высокой гидрофильности олигосахаридов.

3) Асимметрия. Наружная и внутренняя поверхности мембраны обычно различаются по своему составу:

а) углеводные компоненты, как уже отмечалось, находятся с внешней поверхности плазмолеммы;

б) многие белки расположены всегда только с наружной, а другие – только с внутренней стороны;

в) нередко различается и липидный состав слоев бислоя.

Выше (п.3.6.2.2) уже отмечалось, что полярность (асимметрия) мембраны возникает на ранних стадиях ее формирования и затем все время сохраняется.

1.2. Мембранные липиды

Классы мембранных липидов. В состав мембран входят липиды следующих классов:

а) фосфолипиды (ФЛ),

б) сфинголипиды (СЛ),

в) гликолипиды (ГЛ),

г) стероиды, а именно холестерин (ХС).

Именно липиды первых трех перечисленных классов имеют то характерное строение (гидрофильная «головка» и два гидрофобных «хвоста»), которое было показано в общем виде на рис. 1.2. Это следует из их состава (рис.1.3, а-в).

(рис. 1.3)

а) Так, у фосфолипидов (рис. 1.3, а) в состав «головки» обычно входят последовательно связанные друг с другом остатки азотистого основания ( холамина, коламина или серина), фосфатной группы и трехатомного спирта глицерина. Все это полярные группировки (поскольку содержат много гетероатомов), и потому они являются гидрофильными.

Остатки же жирных кислот (ЖК), образующие гидрофобные «хвосты», соединены с глицерином. В качестве насыщенной кислоты часто выступает пальмитиновая кислота (16 С-автомов), а в качестве ненасыщенной олеиновая кислота (18 С-атомов и 1 двойная связь, что обозначается как С(18:1). В месте нахождения двойной связи углеводородная цепь делает изгиб на 40 градусов. Поэтому, несмотря на различие С-атомов в олеиновой и пальмитивновой кислотах, длина обоих «хвостов» (точнее, проекция длины на продольную ось) оказывается практически одинаковой. Это облегчает образование бислоя.

Заметим: соединение, включающее те же компоненты, что и показанный на рис.1.3, а ФЛ, но без азотистого основания. Называется фосфатидной кислотой. Таким образом, ФЛ можно рассматривать как производные этой кислоты. Отсюда происходит название ряда важнейших ФЛ. В частности, типичным их представителем в мембранах является фосфатидилхолии, т.е. фосфотидная кислота, связанная с холином.

В мембранах имеются и такие ФЛ, чья структура несколько отличается от схемы, приведенной на рис. 1.3, а. например, кардиолипины ( рис.1.4) – это две фосфатидные кислоты, связанные друг с другом через глицерин. Соответственно, в этих молекулах – 4 углеводородных «хвоста» и более объемная, чем обычно, гидрофильная «головка». А в плазмалогенах вместо одного из остатков жирной кислоты содержится остаток альдегида ЖК.

(рис. 1.4)

б) Особенность сфинголипидов (СЛ, РИС 1.3.б), по сравнению с ФЛ, состоит в том, что вместо глицерина и одной из жирных кислот они включают сфингозин (он же сфингенин) – двухатомный аминоспирт, содержащий 18 С- атомов и 1 двойную связь. Поэтому начальная часть сфингозина входит в гидрофильную «головку» СЛ, а последующая углеводородная цепь служит одним из гидрофобных «хвостов».

Типичный представитель СЛ –сфингомелин, где в качестве азотистого основания выступает холин.

в) Гликолипиды (ГЛ, рис.1.3, в) тоже содержат остаток сфингозина. Но в состав гидрофильной «головки» вместо азотистого основания и фосфатной группы входит какой – либо углевод (У).

По природе последнего ГЛ подразделяются на две группы: цереброзиды (здесь У – галактоза или глюкоза) и ганглиозиды (У – олигосахарид, причем обычно разветвленный).

В качестве же ЖК гликолипиды часто содержат особые кислоты – нервоновую или цереброновую. Так , первая из них содержит 24 С- атома и 1 двойную связь (С24:1).

г) Несколько особняком стоит структура четвертого класса мембранных липидов – стероидов, точнее , их основного представителя – холестерина (ХС).

ХС (рис.1.5), как известно, представляет собой вытянутую систему четырех углеводородных циклов и углеводородную же боковую цепь. Поэтому, за исключением одной гидроксигруппы, ХС – гидрофобное соединение. Если через гидроксигруппу связана какая - либо ЖК, то какой (этерифицированный) ХС вообще теряет малейшие признаки амфифильности.

(рис. 1.5)

В силу своей гидрофобности, в мембране ХС находится, в основном, в срединной зоне бислоя, и лишь гидроксигруппа примыкает к «головкам» амфифильных липидов. При этом вытянутые молекулы ХС ориентированы параллельно углеводородным цепям указанных липидов. Каждый вид мембран отличается строго определенным содержанием вышеперечисленных классов липидов. И это во многом определяет свойства данных мембран. Рассмотрим , в чем состоит эта взаимосвязь.

Влияние липидного состава на свойства мембран. Вначале проиллюстрируем первое из только что высказанных утверждений – о различии состава разных мембран. Для этого обратимся к табл. 1.1. Из нее видно следующее.

(табл. 1.1)

а) Отношение белок/липиды действительно в среднем близко к 1:1, но в ряде случаев оно значительно отклоняется от этого уровня. Миелиновые оболочки сильно обогащены липидами, а внутренняя мембрана митохондрий – белками.

б) Внешние мембраны значительно богаче внутренних по содержанию таких компонентов, как углеводы, сфинго и гликолипиды , холестерин.

При этом по причинам, которые будут разъяснены чуть ниже, ГЛ и ХС условно обозначены в таблице как «стабилизирующие». Нетрудно видеть, что во внутренних мембранах таких липидов почти нет, т.е. соотношение сильно сдвинуто в сторону «дестабилизирующих» липидов – в основном ФЛ.

Таким образом, действительно, мембраны очень сильно отличаются друг от друга по составу. Теперь выясним, как это сказывается на их свойствах (речь пока будем вести лишь о липидах).

а) Влияние ФЛ и СЛ. Эти липиды включают непредельные углеводородные «хвосты». Причем среди них встречаются остатки не только олеиновой кислоты, но и полиненасыщенных кислот – линолевой, арахидоновой и других.

Но, как нам тоже уже известно, в каждом месте нахождения двойной связи углеводородная цепь имеет изгиб. А изгибы затрудняют взаимодействие соседних цепей, что делает структуру бислоя менее упорядоченной.

повышается латеральная диффузия компонентов мембраны;
увеличивается диффузия соответствующих веществ через мембрану;
повышается также способность мембран к разрыву.

Все это и объясняет, почему ФЛ и СЛ обозначены в таб 1.1

б) Влияние ХС и ГЛ. Данные же липиды оказывают на лабильность мембраны два противоположных действия.

С одной стороны, они вносят дезорганизацию в расположение углеводородных «хвостов»: ХС – за счет внедрения между последними, а ГЛ – из-за более длинных, чем обычно, остатков нервоновой и цереброновой кислот. Это несколько дестабилизирует мембраны.

Но, с другой стороны, те же факторы препятствуют активному перемещению липидов. А это, напротив, оказывает стабилизирующее действие, которое в итоге и перевешивает.

По данной причине ХС и ГЛ отнесены к разряду «стабилизирующих» мембранных липидов.

Поскольку во внутренних мембранах клеток этих липидов (ХС и ХЛ) очень мало, можно сделать вывод: данные мембраны существенно более лабильны, чем внешние. Т.е. они более текучи, более проницаемы и более склонны к разрыву.

Заметим еще одно обстоятельство: все эти свойства могут меняться со временем и для одной и той же мембраны. Причиной этому обычно служит изменение ее липидного состава.

Наглядный пример – мембраны сперматозоида: плазмолемма и мембрана акросомы. В них высоко содержание ФЛ с большим количеством двойных связей в «хвостах». Это, как мы знаем, само по себе значительно лабилизирует мембраны.

Но, кроме того, в женских половых путях секретируется белок, нагруженный ФЛ. Эти ФЛ с данного белка переходят в состав мембран сперматозоидов в обмен на ХС. Таким образом, соотношение между «дестабилизирующими» и «стабилизирующими» липидами еще больше сдвигается в пользу первых.

Поэтому лабильность мембран сперматозоидов, уже и так высокая, достигает критического предела. – Плазмолемма головки и мембрана акросоы легко разрываются при контакте с оболочками яйцеклетки.

Кроме лабильности, от липидного состава зависят и другие свойства мембран.

Так, гидрофильные «головки» ФЛ, Сл и ГЛ значительно отличаются друг от друга по величине, заряду и прочим параметрам. Вероятно, это может сказываться на электропроводимости мембран, их способности связывать те или иные белки и т.д.

В частности, миелиновые оболочки имеют очень низкую электропроводность. Причиной, видимо, является высокое содержание в этих мембранах как вообще липидов, так и конкретно ГЛ. Действительно, «головки» последних нередко лишены ионогенных групп. Не исключено, что аналогичное влияние на электропроводность оказывает и высокое содержание ХС.

1.3 Белки мембран

Функциональные виды мембранных белков. Обратимся теперь к мембранным белкам. Их существует огромное множество. Только в плазмолемме эритроцитов – не менее 100 различных видов белков.

В отличие от липидов, мембранные белки трудно классифицировать по их структуре; во всяком случае, такой классификации пока не существует.

Более перспективно попытаться подразделить эти белки по их функциональной роли. Но и здесь нет законченной системы, т.к. любые попытки ее создания наталкиваются на типичные трудности, когда один и тот же белок может быть отнесен к разным трудам.

Тем не менее попробуем перечислить основные виды мембранных белков, исходя из их функции.

Структурные белки. Белки этой группы

а) придают клетке и органеллам определенную форму;

б) придают мембране те или иные механические свойства;

2. Транспортные белки. Проницаемость мембран определяется их

липидным бислоем. Последний же проницаем лишь для ограниченного круга веществ – не очень больших гидрофобных молекул и совсем мелких молекул.

Все прочие вещества могут перемещаться через мембрану только при наличии в ней соответствующих белковых транспортных систем. Причем одни из этих систем обеспечивают двусторонний перенос своих лигандов, а другие – только односторонний.

3. Белки, обеспечивающие непосредственное межклеточное взаимодействие. Многочисленные белки этой группы можно поделить прежде всего на две совокупности:

а) Т. Н. адгезивные белки необходимы для связывания клеток друг с другом или неклеточными структурами (базальной мембраной)

б) Другие белки участвуют в образовании специализированных межклеточных контактов.

В свою очередь, в каждой из этих совокупностей можно произвести дальнейшее деление белков.

4. Последняя большая группа мембранных белков – белки, участвующие в передаче сигналов от одних клеток к другим.

Такая передача осуществляется в очень многих случаях и самыми разными способами.

Например, в нервных и нервно-мышечных синапсах с т.н. ионотропными рецепторами сигнальной молекулой является определенное низкомолекулярное вещество, а плазмолемма воспринимающей клетки содержит:

а) рецепторные белки,

б) белки эффекторного устройства – ионные каналы, изменяющие свою функцию при связывании лиганда с рецепторами,

в) фермент инактивации медиатора.

Как видно, участвующие в этом ионные каналы попадают сразу в две функциональные группы: кроме данной, еще и в группы транспортных белков. Помимо того, обычно эти ионные каналы сами же осуществляют и рецепторную функцию. Так обстоит, например дело в случае т.н. н-холинорецепторов – они одновременно являются ионными каналами для катионов. Все это иллюстрирует сложность классификации мембранных белков.

Есть синапсы и ст.н. метаботропными рецепторами. Здесь используется иной способ передачи сигнала от клетки к клетке – такой, какой применяется и в случае гормонов нестероидной природы. Имеются в виду гормоны –белки, пептиды и производные аминокислот. Практически все они не способны проникать через плазмолемму клетки-мишени. Однако и в этих случаях мембранные белки, участвующие в процессе, обычно можно разделить на три функциональные группы:

а) рецепторные белки,

б) белки трансмиттерного устройства,

в) ферменты.

Итак, мы перечислили четыре функциональные группы мембранных белков, каждая из которых обычно подразделяется далее и объединяет большое количество конкретных белков.

Перенос веществ через мембраны

Познакомившись с двумя транспортными белками, рассмотрим более последовательно проблему трасмембранного транспорта вещества.

Низкомолекулярные соединения: три способа переноса

Существует три способа прохождения низкомолекулярных веществ через мембраны:

- простая диффузия,

- облегченная диффузия,

- активный транспорт.

Простая диффузия. В этом случае (рис. 1.6.а) вещество непосредственно, без чьей-либо помощи, диффундирует через мембрану из компартмента с большей концентрацией в компартмент с меньшей концентрацией.

Как уже отмечалось, к такому способу переноса способны низкомолекулярные гидрофобные органические соединения (жирные кислоты, мочевина), а также небольшие нейтральные молекулы (Н₂0, С0₂, 0₂).

При увеличении разности концентраций между отсеками, разделенными мембраной, прямо пропорционально будет расти и скорость диффузии. При выравнивании концентраций диффузия прекращается, а если соотношение концентраций меняется на противоположное, то меняется и направление диффузии.

Это имеет место, в частности, в случае прохождения С0₂ через мембрану эритроцитов: в капиллярах тканей С0₂ диффундирует из плазмы в эритроциты, а в капиллярах легких — наоборот, из эритроцитов в плазму. Все определяется соотношением концентраций С0₂ в этих компартаментах.

(рис. 1.6)

Облегченная диффузия. При данном способе переноса (рис. 1.6,б) вещество проходит через мембрану тоже по направлению градиента своей концентрации (т. е. в компартмент с меньшей концентрацией), но не самостоятельно, а с помощью специального транспортного белка — транслоказы.

Транслоказы - интегральные белки, обладающие большей или меньшей специфичностью в отношении переносимых веществ. Примеры - анионные каналы в плазмолемме эритроцитов, К"-каналы в плазмолемме возбудимых клеток, Са' - каналы в мембранах саркоплазматического ретикулума и т. д.

Практически всегда с помощью транслоказы переносится такое вещество, которое не способно к простой диффузии через мембрану. Но есть и исключение — перенос воды через мембраны почечных канальцев и секреторных эпителиальных клеток. Вода, как мы знаем, может и самостоятельно пересекать липидный бислой. Однако для интенсификации ее диффузии в указанных мембранах есть специальная транслоказа - аквапорин.

Молекулярная биология 📙 Курсовая → 🆔 133122