Какова скорость рекомбинации?

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒

Стертевэнт создал первую генетическую карту воспроизведенный в механизм, объясняющий частоту, с которой характеристики наследуются вместе, что рекомбинации. Это акт двух хромосом аналогичного состава собираются вместе и выполняют молекулярный кроссовер, тем самым обмениваясь генетическим содержанием. Два гена на хромосоме, которые имеют 1% шанс кроссовера на поколение определяются так, чтобы быть на расстоянии одного centimorgan или сМ для краткости. У человека, средняя скорость рекомбинации составляет около 1 см в 1Mbp (BNID 107023), то есть на каждый миллион пар оснований есть один в сто шансов на кроссовер среднего поколения. Она имеет тенденцию масштабировать обратно пропорционально геномной длины. Это интересное свойство масштабирования можно просто понять, если заметить, что у большинства видов есть от одного до двух кроссоверов событий в хромосоме в репликации. Это приводит в организме по всему правило одного события рекомбинации на хромосоме, или, что эквивалентно, как 100 сМ (т.е. один Morgan или один кроссовер) на хромосоме в репликации. Помимо общих правил, теперь мы также знаем, что некоторые места вдоль хромосом горячих точек, которые являются более лабильным для кроссоверов. И, наконец, человеческие самки имеют ≈ 50% более высокие скорости рекомбинации, чем у мужчин (42 против 28 в среднем в одном недавнем исследовании, BNID 109268). Так что даже если вы, как правило, чтобы получить больше ваших одиночных базовых мутаций от отца, как описано в виньетке на тему " Сколько хромосом репликаций происходит на поколение? ", Ваши кроссоверы в основном благодаря своей матери.

Последние достижения в области генотипирования позволили выполнить анализ одноклеточного рекомбинационной активности. Одиночных нуклеотидных полиморфизмов (SNP) являются места в геноме человека, где существуют различия между людьми, таких, которые говорят больше, чем 1% населения имеет нуклеотид иной, чем большинство населения. Для человеческой популяции существуют на порядка 106 таких мест на геноме. Вот то, как это может быть использовано, чтобы вывести количество и расположение событий рекомбинации. События рекомбинации отчетливо видны как переключатели этих местах полиморфизма от одного плеча к другому. В среднем, 23 события рекомбинации были найдены для клетки спермы человека (BNID 108035). Короткие отрезки, состоящие из одного SNP переключения хромосомы, как подчеркивается в хромосоме 8, имеют место случаи, что было названо конверсии генов, где один аллель (ген копия) выполнил гомологичной рекомбинации, что делает его заменить другую копию (ее гетерозиготных аллель). Такой анализ в уровень одноклеточных, в отличие от логического вывода на уровне населения или от изучения потомства в семье, дает возможность увидеть цены событий, таких как рекомбинации и мутации в половых клетках в том числе для тех половых клеток, которые не приведут к жизнеспособного потомства, Это относится как человека месячной ставке плодовитости, то есть шанс менструального цикла, ведущего к беременности, составляет лишь около 25% (BNID 108080) даже на пике возрасте от 20-ти 30. аберраций в содержании генома часто обнаруживаются естественно на ранних стадиях развития, в течение первых нескольких недель после зачатия, и привести к естественному прекращению беременности даже перед женщиной осознает, что она беременна. Сегодня рекомбинация также служит исследователей в качестве ключевого инструмента в области генной инженерии для создания дизайнерских геномы. Гомологичные рекомбинация позволяет включение последовательности ДНК, в заданном месте в пределах генома. Его использование превратили нашу возможность помечать интерес генов и привело к геному библиотек позволяет с высокой пропускной анализ основных клеточных свойств, начиная от локализации белков в различных клеточных местах для общегеномных оценки уровней белка и изменчивости. Хотя recombineering, как его называют, является невероятно мощным, к сожалению, он может быть использован только в некоторых организмов и не других, давая Счастливчики организмов сильное селективное давление в лабораториях по всему миру как привлекательные модели систем. Выдающимися примерами являются почкованием дрожжи и мох Physcomitrella patens. Метод гомологичной рекомбинации требует последовательности гомологии фланговые интегральной последовательности. Длина этой последовательности изменяется в зависимости от организма, представляющего интерес гена и конкретной методики и протокола, используемого. Некоторые характерные значения ≈ 30-50 п.о. почкующихся дрожжей (BNID 101986), тогда как у мышей это ≈ 3-5 т.п.н. (BNID 101987). С более длинных отрезков также идет гораздо более низкую эффективность выполнения акта гомологичной рекомбинации, осложняющий жизнь молекулярных биологов, хотя современные методы CRISPR осуществили новую революцию в редактировании генома, которые могут в значительной степени заменяющей методы recombineering.

5.3. Этапы клеточного цикла и их относительные длительности

How long do the different stages of the cell cycle take? .......................... 326 М

Совокупность процессов, известных как, клеточный цикл, который проводит, как одна клетка превращается в две, была доминирующей темой исследования в молекулярной эпохи с приложениями, которые простираются далеко и широко, включая к изучению заболеваний, таких как рак, который иногда характеризуется как болезнь клеточного цикла

Одной из привлекательных особенностей бактерии является то, что они имеют асимметричное деление клеток. Это привело к точным изображениям клеточного цикла ≈ 150 минут (BNID 104921), Основными компонентами клеточного цикла являются G1 (первая фаза роста, ≈ 30 мин, BNID 104922), где по крайней мере некоторые минимальное количество размера увеличение ячейки, S фазы (синтез, ≈ 80 мин, BNID 104923), где получает реплицированную ДНК и G2 (второй этап роста, ≈ 25 мин, BNID 104924), где сегрегации хромосом разворачивается приводит к клеточному делению (конечная фаза продолжительностью ≈ 15 мин).

Поведение клеток млекопитающих в культуре ткани послужил основой для большей части того, что мы знаем о клеточном цикле высших эукариот. Эукариотической клетки цикл может быть широко разделены на два этапа, интерфазе, та часть клеточного цикла, когда материалы электролизера дублируется и митоза, множество физических процессов, которые сопутствуют сегрегации хромосом и последующее деление клеток. Скорости процессов в клеточном цикле, в основном построены из многих молекулярных событий, таких как полимеризация ДНК и цитоскелета нитей. Для характерного времени клеточного цикла 20 часов в клетке HeLa, почти половина посвящена G1 (BNID 108483) и близко к другой половине является S фаза (BNID 108485), тогда как G2 и М гораздо быстрее, около 2-3 часов и 1 час соответственно (BNID 109225, 109226). Этап наиболее переменной продолжительности является G1. Менее благоприятным условия роста, когда клеточного цикла длительность возрастает именно на этой стадии что в основном пострадали, вероятно, из-за времени это занимает до некоторого

регулирующий размер контрольных точек достигается.

Развязку между длиной генома и времени удвоения существует в эукариот за счет использования нескольких стартовых сайтов репликации ДНК. Для клеток млекопитающих было обнаружено, что в течение многих тканей с широко меняющихся общее время клеточного цикла, длительность фазы S, где происходит репликация ДНК удивительно постоянна. Для тканей крысы, такие, как те, что в толстой кишке или языка, фаза S варьировалась в небольшом диапазоне от 6, 9 до 7, 5 часов (BNID 107373). Даже при сравнении нескольких эпителиальных тканей через человека, крысы, мыши и хомячка, фаза S было от 6 до 8 часов (BNID 107375). Эти измерения проводились в 1960-е годы, выполняя своего рода пульс-чейз эксперимента с радиоактивно меченого нуклеотида тимидина. В течение короткого импульса, радиоактивное соединение включено только в геном клеток в фазе S. Измеряя продолжительность появления, а затем исчезновение меченых клеток в фазе М можно сделать вывод, как долго S фаза длилась факт, что продолжительность фазы S относительно постоянна в таких клетках используется и по сей день, чтобы оценить продолжительность клеточного цикла из знания только фракции клеток при заданном моментальный снимок, которые находятся в фазе S. Например, если треть клеток наблюдаются в фазе S, который длится около 7 часов, время клеточного цикла выводится на около 7 часов / (1/3) ≈ 20 часов. Сегодня эти виды измерений в основном осуществляется с помощью BrdU в качестве маркера для фазы S.

Билет 6.

6.1. Правила энтропии для клеточных процессов

Chapter 6: Entropy Rules! 237 Р

Достаточно напомнить о механических процессах, трансформации энергии кванта света в энергию электронного возбуждения молекул пигментов, а затем в энергию химических связей восстановленных соединений в фотосинтезе. Другой пример - преобразование энергии электрохимического трансмембранного потенциала в энергию АТФ в биологических мембранах. Сейчас мы понимаем, что механизмы трансформации энергии в биоструктурах связаны с конформационными превращениями особых макромолекулярных комплексов, таких, как реакционные центры фотосинтеза, Н-АТФаза хлоропластов и митохондрий, бактериородопсин. Однако помимо выяснения детального характера происходящих здесь процессов особый интерес представляют общие характеристики эффективности преобразования энергии в таких макромолекулярных машинах.

ВБЛИЗИ РАВНОВЕСИЯ

В классической термодинамике рассматриваются главным образом равновесные состояния системы, в которых параметры не изменяются во времени. Однако в открытых системах реакции и соответствующие энергетические превращения происходят постоянно, и поэтому здесь необходимо знать скорости трансформации энергии в каждый момент времени. Это значит, что в энергетических расчетах надо учитывать и фактор времени. Для этого необходимо каким-то образом сочетать термодинамический и кинетический подходы в описании свойств открытой системы.

Напомним вначале содержание основных законов классической термодинамики и результаты их применения в биологии. Согласно первому закону, количество теплоты dQ, поглощенное системой из внешней среды, идет на увеличение ее внутренней энергии dU и совершение общей работы dA, которая включает работу против сил внешнего давления P по изменению объема dV системы и максимальную полезную работу dAmax, сопровождающую химические превращения:

dQ = dU + dA,

где работа

dА = p dV + dAmax

или

dQ = dU + p dV + dAmax.

Опытная проверка первого закона проводилась в специальных калориметрах, где измерялась теплота, выделенная организмом в процессах метаболизма, при испарениях, а также вместе с продуктами выделения. Оказалось, что выделенная организмом теплота полностью соответствует энергии, поглощенной вместе с питательными веществами. Справедливость первого закона означает, что сам по себе организм не является независимым источником какой-либо новой энергии.

Второй закон термодинамики дает критерий направленности самопроизвольных необратимых процессов. Всякое изменение состояния системы описывается соответствующим изменением особой функции состояния - энтропии S, которая определяется суммарной величиной поглощенных системой приведенных теплот Q / T:

Знак неравенства относится к неравновесным процессам. В изолированных системах dQ = 0 и, следовательно,

dS $ 0.

В этом и состоит эволюционный критерий направленности необратимых изменений в изолированных системах, которые всегда идут с увеличением энтропии до ее максимальных значений при окончании процесса и установлении термодинамического равновесия. Увеличение энтропии означает падение степени упорядоченности и организованности в системе, ее хаотизацию.

ИЗМЕНЕНИЕ ЭНТРОПИИ

В ОТКРЫТЫХ СИСТЕМАХ.

В самом деле, усложнение и увеличение упорядоченности организмов в период их роста сопровождаются кажущимся уменьшением, а не увеличением энтропии, как должно было бы следовать из второго закона. Однако увеличение энтропии в необратимых самопроизвольных процессах происходит в изолированных системах, а биологические системы являются открытыми. Проблема поэтому заключается в том, чтобы, во-первых, понять, как связано изменение энтропии с параметрами процессов в открытой системе, а во-вторых, выяснить, можно ли предсказать общее направление необратимых процессов в открытой системе по изменению ее энтропии. Главная трудность в решении этой проблемы состоит в том, что мы должны учитывать изменение всех термодинамических величин во времени непосредственно в ходе процессов в открытой системе. Постулат И.Р. Пригожина состоит в том, что общее изменение энтропии dS открытой системы может происходить независимо либо за счет процессов обмена с внешней средой (deS ), либо вследствие внутренних необратимых процессов (diS ):

dS = deS + diS.

Во всех реальных случаях diS > 0, и только если внутренние процессы идут обратимо и равновесно, то diS = 0. Для изолированных систем deS = 0, и мы приходим к классической формулировке второго закона:

dS = diS = 0.

В клеточном метаболизме всегда можно выделить такие две группы процессов. Например, поступление извне глюкозы, выделение наружу продуктов ее окисления (deS) и окисление глюкозы в процессах дыхания (diS).

В фотосинтезе приток свободной энергии света приводит к уменьшению энтропии клетки deS < 0, а процессы дыхания, диссимиляции в клетке увеличивают ее энтропию diS > 0. В зависимости от соотношения скоростей изменения deS и diS общая энтропия dS открытой системы может либо увеличиваться, либо уменьшаться со временем.

Если единственной причиной необратимости и увеличения энтропии системы являются ее внутренние процессы, то они ведут к уменьшению ее термодинамического потенциала. В этом случае

где G - полный термодинамический потенциал (или энергия Гиббса G = U + PV - TS ).

Можно показать, что скорость возникновения положительной энтропии внутри открытой химической системы зависит от химического сродства А и скорости реакции u:

Химическое сродство А определяется разностью химических потенциалов реагентов реакции, то есть ее движущей силой.

Выражение (6) имеет простой смысл. Оно показывает, что скорость образования в системе положительной энтропии в ходе необратимого химического процесса прямо пропорциональна его движущей силе A и скорости u. Очевидно, что величина diS / dt является, вообще говоря, переменной, поскольку в ходе химической реакции все время изменяются переменные концентрации реагирующих веществ, а следовательно, и зависящие от них величины А и u.

СООТНОШЕНИЕ ОНЗАГЕРА

Между движущими силами и скоростями (потоками) должна, очевидно, существовать взаимосвязь, при которой увеличение (уменьшение) движущей силы вызывает соответствующее увеличение (уменьшение) скорости процесса. Это относится не только к химическим реакциям, но и к другим необратимым процессам.

Например, процессы переноса тепла и диффузии вещества через мембрану из одной фазы в другую включают движущие силы - градиенты температуры и концентраций, а потоки соответствуют переносу тепла или вещества между двумя фазами. Во всех этих случаях возрастание энтропии имеет вид

где Х - движущая сила, J - величина потока.

Если система находится вблизи равновесия, где величины движущих сил и потоков очень малы, то между ними имеется прямая пропорциональная зависимость:

J = LX,

где L - постоянный линейный коэффициент.

Если в открытой системе вблизи равновесия протекают одновременно несколько процессов, то между ними существуют термодинамические соотношения, отражающие их взаимное влияние. Для двух процессов (J1, X1) и (J2, X2) эти соотношения имеют вид

J1 = L11X1 + L12X2,

J2 = L21X1 + L22X2,

где постоянные коэффициенты L11, L22 отражают зависимость потока от своей силы, а коэффициенты L12, L21 соответствуют взаимному влиянию силы одного процесса на поток другого процесса. Они носят название коэффициентов взаимности Онзагера. Вблизи равновесия

L12 = L21.

Теперь можно установить количественную связь между одновременно протекающими в клетке процессами, не зная их молекулярных механизмов.

Рассмотрим процесс активного переноса вещества через биологическую мембрану, который происходит за счет энергии сопрягающего метаболического процесса и поэтому может идти против градиента концентрации переносимого вещества. Тогда

J1 = L11X1 + L12X2,

J2 = L21X1 + L22X2, L12 = L21,

где процесс (J1, X1) сопряженного переноса идет против градиента силы X1 (J1, X1 < 0) за счет энергии сопрягающего процесса (J2, X2 > 0). Если сопряжение отсутствует, то L12 = L21 = 0 и процессы идут независимо друг от друга под действием только своих движущих сил

J1 = L11X1, J2 = L22X2.

В начальные моменты запуска системы большая скорость сопрягающего процесса J2 снижается до минимальных значений, одновременно растет величина X1. В результате этих изменений устанавливается стационарное состояние, когда результирующий сопряженный поток обращается в нуль: J1 = 0. Если система полностью сопряжена, то и для сопрягающего потока устанавливается стационарное состояние J2 = 0. В этом случае в системе нет видимых изменений и вся энергия сопрягающего потока тратится на поддержание силы X1. Можно мысленно представить себе колесо турбины в воде (X1), скорость ее движения (J1) и потока воды (J2). Эти соображения справедливы не только для активного переноса, но и для других случаев. Так, в митохондриях скорость окисления субстрата, то есть скорость движения (J2), связана с отношением АДФ / АТФ, то есть движущей силой X1. В состоянии митохондрий, когда концентрация АДФ равна нулю и видимого образования АТФ не происходит (J1 = 0), вся энергия тратится на поддержание максимального уровня. Добавление разобщителей уменьшает величину X1, но тогда уже J1? 0, что приводит к ускорению сопрягающего потока.

Коэффициент трансформации энергии в сопрягающих процессах равен | J1X1 | / J2X2 и в митохондриях может достигать значений 80-90%. Применение уравнений Онзагера позволяет получить характеристики макромолекулярных комплексов - биологических трансформаторов энергии, не прибегая к детальному анализу механизмов их функционирования.

ТЕРМОДИНАМИКА АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА

Мы рассмотрим систему активного транспорта одного иона (натрия), не сопряженного с переносом других веществ. Для простоты рассуждения будем считать, что можно выделить один метаболический процесс, приводящий в движение активный транспорт натрия (рис. 1).

Обозначим скорость активного транспорта катиона через, скорость метаболизма через Jr, тогда

где Х+ - отрицательная разность электрохимических потенциалов катиона (идущего против градиента " своей" движущей силы), А - сродство метаболической реакции, обеспечивающей транспорт. В случае одной метаболической реакции (гидролиз АТФ) скорости потребления и производства всех метаболитов связаны стехиометрически. Поэтому для оценки скорости метаболизма можно взять, например, скорость потребления О2 в дыхании. Тогда сродство А может быть выражено как отрицательное изменение полного термодинамического потенциала метаболической реакции (гидролиз АТФ) на моль потребления О2.

Помещая с обеих сторон мембраны одинаковые растворы и изменяя трансмембранную разность потенциалов Dj можно найти из (11) феноменологические коэффициенты, , которые определяются из наклона соответствующих прямых D(FDj) и D(FDj).

Очевидно, в экспериментальных условиях для нахождения коэффициентов важно сохранить параметры системы и уметь направленно варьировать Na при постоянстве А. Опыты проводили на коже лягушки, где варьировали значения XNa путем изменения Dj. При этом сохранялся состав смывающей жидкости и концентрация натрия поддерживалась неизменной.

В прямых экспериментах была подтверждена линейная зависимость скорости активного транспорта от Dj на коже лягушки, где Dj изменяли симметрично в области 0? 80 мВ. Величину Jr можно определять по поглощению О2 с применением кислородных электродов. Оказалось, что при симметричных возмущениях потенциала соотношение между Jr и Dj было линейным в интервале 0? 70 мВ. Была изучена также зависимость и J2 от наружной концентрации натрия в условиях постоянства его внутренней концентрации при постоянной нулевой разности электрических потенциалов (Dj = 0). В этих условиях также наблюдалась линейная зависимость скорости активного транспорта JNa и поглощения кислорода Jr от разности химических потенциалов DmNa на мембране (рис. 2). Однако если ХNa изменять путем варьирования внутренней концентрации натрия, то линейность уже не соблюдается. Это обусловлено уже изменениями в микроструктуре и составе самой мембраны.

Подобные исследования были успешно проведены и в отношении активного транспорта протонов с применением уравнений неравновесной термодинамики для двух потоков. Во всех случаях варьирование Х+ позволяет оценить феноменологические коэффициенты и сродство А движущей метаболической реакции. В последнее время делаются успешные попытки применить подобный формализм для описания процессов фосфорилирования в митохондриях и хлоропластах. Считается общепринятым, что в этих объектах имеется тесное сопряжение между тремя главными процессами, лежащими в основе биоэнергетики клеточных мембран: электронный транспорт с окислением субстрата (J0, А0), фосфорилирование АДФ с образованием АТФ (JР, АР), транслокация протонов через сопрягающую мембрану (JH, DmН). Ключевую роль играет трансмембранная циркуляция протонов, которая индуцируется переносом электронов и, в свою очередь, запускает синтез АТФ. Как оказалось, здесь также имеет место линейная зависимость между силами и потоками, что должно позволить найти опытным путем коэффициенты L.

На основе такого подхода обсуждаются различные гипотезы энергетического сопряжения. В частности, хемиосмотическая гипотеза предполагает непосредственную связь с образованием АТФ только транслокации протонов, но не переноса электронов. В этом предельном случае коэффициент LP0 должен быть равен нулю. Работы в этом направлении продолжаются. Надо, конечно, ясно понимать, что термодинамический анализ может помочь оценить энергетическую эффективность и степень сопряжения процессов, но ничего не говорит об их молекулярных механизмах.

ЭНТРОПИЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Согласно формуле Больцмана, энтропия определяется как логарифм числа микросостояний, возможных в данной макроскопической системе:

S = kБ ln W,

где kБ = 1, 38 " 10-16 эрг/град, или 3, 31 " 10- 24 энтропийных единиц (1 э.е.= 1 кал/град = 4, 1 Дж/К), или 1, 38 " 10- 23 Дж/К - постоянная Больцмана, W - число микросостояний (например, число способов, которыми можно разместить молекулы газа в сосуде). Именно в этом смысле энтропия есть мера неупорядоченности и хаотизации системы. В реальных системах существуют устойчивые и неустойчивые степени свободы. Им соответствуют, например, твердые стенки сосуда и молекулы заключенного в нем газа.

Понятие энтропии связано именно с неустойчивыми степенями, по которым возможна хаотизация системы, а число возможных микросостояний намного больше единицы. В полностью устойчивых системах реализуется только одно-единственное решение, то есть число способов, которыми осуществляется это единственное макросостояние системы, равно единице (W = 1), а следовательно, энтропия равна нулю. В биологии использовать понятие " энтропия", а следовательно, и термодинамические представления можно только по отношению к конкретным метаболическим процессам, а не для описания в целом поведения и общебиологических свойств организмов. Связь энтропии и информации в теории информации была установлена для статистических степеней свободы. Допустим, что мы получили информацию о том, каким конкретно способом из всех возможных способов осуществлено данное макросостояние системы. Очевидно, количество информации, которое мы при этом получали, будет тем больше, чем больше была исходная неопределенность, или энтропия, системы.

Напомним, что, согласно теории информации, в этом случае количество информации о единственном реальном состоянии системы

I = log2 W.

За единицу количества информации (бит) принимается информация, содержащаяся в достоверном сообщении, когда число исходных возможных состояний было равно W = 2:

I = log2 W = 1 бит.

Например, сообщение о том, на какую сторону упала монета при бросании в воздух, содержит количество информации в 1 бит. Сопоставляя формулы (12) и (13) можно найти связь между энтропией (в энтропийных единицах) и информацией (в битах)

S (э.е.) = 2, 3 " 10- 24.

Теперь попытаемся формально оценить количество информации, содержащейся в теле человека, где имеется 1013 клеток. С помощью формулы (12) получим величину

I = log2 (1013! ) ~ 1013 log2 1013 ~ 4 " 1014 бит.

Такое количество информации необходимо было бы исходно получить, чтобы осуществить единственно правильное расположение клеток в организме. Этому эквивалентно весьма незначительное снижение энтропии системы на

DS = 2, 3 " 10- 24 " 4 " 1014 ~ 10- 9 э.е. ~ 4 " 10- 9 Дж/К.

Если считать, что в организме осуществляется также уникальный характер расположения аминокислотных остатков в белках и нуклеиновых остатков в ДНК, то общее количество информации, содержащейся в теле человека, составит

I = 1, 3 " 1026 бит,

что эквивалентно небольшому понижению энтропии на DS © 300 э.е. = 1200 Дж/К. В процессах метаболизма это снижение энтропии легко компенсируется увеличением энтропии при окислении 900 молекул глюкозы. Таким образом, формально сопоставление формул (12) и (13) показывает, что биологические системы не обладают какой-либо повышенной информационной емкостью по сравнению с другими неживыми системами, состоящими из того же числа структурных элементов. Этот вывод на первый взгляд противоречит роли и значению информационных процессов в биологии.

Однако связь между I и S в (15) справедлива лишь по отношению к информации о том, какое из всех W микросостояний реализовано в данный момент. Эта микроинформация, связанная с расположением всех атомов в системе, на самом деле не может быть запомнена и сохранена, поскольку любое из таких микросостояний быстро перейдет в другое из-за тепловых флуктуаций. А ценность биологической информации определяется не количеством, а прежде всего возможностью ее запоминания, хранения, переработки и дальнейшей передачи для использования в жизнедеятельности организма.

Основное условие восприятия и запоминания информации - способность рецепторной системы переходить вследствие полученной информации в одно из устойчивых состояний, заранее заданных в силу ее организации. Поэтому информационные процессы в организованных системах связаны только с определенными степенями свободы. Сам процесс запоминания информации должен сопровождаться некоторой потерей энергии в рецепторной системе для того, чтобы она могла в ней сохраниться достаточное время и не теряться вследствие тепловых флуктуаций. Именно здесь и осуществляется превращение микроинформации, которую система не могла запомнить, в макроинформацию, которую система запоминает, хранит и затем может передать другим акцепторным системам. Как говорят, энтропия есть мера множества незапоминаемых системой микросостояний, а макроинформация - мера множества их состояний, о пребывании в которых система должна помнить.

Информационная емкость в ДНК, например, определяется не только количеством определенных нуклеотидов, а общим числом микросостояний, включающих колебания всех атомов цепочки ДНК. Процесс запоминания информации в ДНК - это фиксация определенного расположения нуклеотидов, которое устойчиво вследствие образующихся химических связей в цепочке. Дальнейшая передача генетической информации осуществляется в результате биохимических процессов, в которых диссипация энергии и образование соответствующих химических устойчивых структур обеспечивают эффективность биологической переработки информации. В целом информационные процессы широко распространены в биологии. На молекулярном уровне они протекают не только при запоминании и переработке генетической информации, но и при взаимном узнавании макромолекул, обеспечивают специфичность и направленный характер ферментативных реакций, имеют важное значение при взаимодействии клеточных мембран и поверхностей. Физиологические рецепторные процессы, играющие самостоятельную информационную роль в жизнедеятельности организма, также основаны на взаимодействиях макромолекул. Во всех случаях макроинформация возникает исходно в виде конформационных изменений при диссипации части энергии по определенным степеням свободы во взаимодействующих макромолекулах. В результате макроинформация оказывается записанной в виде набора достаточно энергетически глубоких конформационных подсостояний, которые позволяют сохранять эту информацию в течение времени, необходимого для ее дальнейшей переработки. Биологический смысл этой макроинформации реализуется уже в соответствии с особенностями организации биологической системы и конкретными клеточными структурами, на которых разыгрываются дальнейшие процессы, приводящие в итоге к соответствующим физиолого-биохимическим эффектам.

6.2. Насколько велики осмотическое давление и тургор в клетках? ( 6.2.3 - 264 P)

6.3. Масштабы тепловой энергии и их отношение к биологии

Билет 7.

7.1. От состояний ионных каналов к кооперативному связыванию

Chapter 7: Two-State Systems: From Ion Channels to Cooperative Binding 281 Р

Ио́ нные кана́ лы — порообразующие белки (одиночные либо целые комплексы), поддерживающие разность потенциалов, которая существует между внешней и внутренней сторонами клеточной мембраны всех живых клеток. Относятся к транспортным белкам. С их помощью ионы перемещаются согласно их электрохимическим градиентам сквозь мембрану. Такие комплексы представляют собой набор идентичных или гомологичных белков, плотно упакованных в липидном бислое мембраны вокруг водной поры. Каналы расположены в плазмалемме и некоторых внутренних мембранах клетки.

Через ионные каналы проходят ионы Na⁺ (натрия), K⁺ (калия), Cl⁻ (хлора) и Ca²⁺ (кальция). Из-за открывания и закрывания ионных каналов меняется концентрация ионов по разные стороны мембраны и происходит сдвиг мембранного потенциала.

Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложной пространственной конфигурацией, в которой кроме поры обычно имеются молекулярные системы открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. Ионные каналы могут иметь несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами.

Классификация ионных каналов проводится по различным параметрам и поэтому единой унифицированной классификации для них пока не существует.

Так, возможна классификация по структуре (строению) и происхождению от однотипных генов.

По этому принципу, например, выделяют три семейства лиганд-активируемых ионных каналов^[1]:

1.с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые);

2.с никотиновыми АХ-рецепторами, ГАМК-, глицин- и серотонин-рецепторами;

3.с глутаматными рецепторами.

При этом в одно и то же семейство попадают ионные каналы с разной ионной селективностью, а также с рецепторами к разным лигандам. Но зато образующие эти каналы белки имеют большое сходство в строении и происхождении.

Ионные каналы также можно классифицировать по селективности в зависимости от проходящих через них ионов: натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные, протонные (водородные).

Согласно функциональной классификации^[2], ионные каналы группируются по способам управления их состоянием на следующие виды:

1.Неуправляемые (независимые).

2.Потенциал-управляемые (потенциал-чувствительные, потенциал-зависимые, voltage-gated).

3.Лиганд-управляемые (хемо-управляемые, хемочувствительные, хемозависимые, лиганд-зависимые, рецептор-активируемые).

4.Опосредованно-управляемые (вторично-управляемые, ион-активируемые, ион-зависимые, мессенджер-управляемые, управляемые метаботропнымирецепторами).

5.Совместно-управляемые (NMDA-рецепторно-канальный комплекс). Они открываются одновременно как лигандами, так и определённым электрическимпотенциалом мембраны. Можно сказать, что у них двойное управление. Пример: NMDA-рецепторно-канальный комплекс, имеющий сложную систему управления, включающую в себя 8 рецепторных участков-сайтов, с которыми могут связываться различные лиганды.

6.Стимул-управляемые (механочувствительные, механосенситивные, активируемые растяжением (stretch) липидного бислоя, протон-активируемые, температурно-чувствительные).

7.Актин-управляемые (актин-регулируемые, actin-regulated, actin-gated channels).

8.Коннексоны (двойные поры).

Наиболее часто встречаются два типа каналов: ионные каналы с лиганд-зависимыми воротами (находятся, в частности, в постсинаптической мембране нервно-мышечных соединений) и ионные каналы с потенциал-зависимыми воротами. Лиганд-зависимые каналы превращают химические сигналы, приходящие к клетке, в электрические; они необходимы, в частности, для работы химических синапсов. Потенциал-зависимые каналы нужны для распространения потенциала действия.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 Следующая ⇒