ТЕМА 7. БИОМЕМБРАНЫ И ТРАНСПОРТ

 

Первая живая клетка появилась как только образовалась мембрана, которая отделила содержимое клетки от окружающей среды. Мембраны формируют внешнюю границу клетки и регулируют транспорт молекул через эту границу. Они разделяют клетку на дискретные компартаменты, чтобы изолировать процессы и компоненты. Мембраны организуют последовательности сложных реакций, играют центральную роль в накоплении и хранении энергии, осуществлении межклеточных связей. Биологическая активность мембран во многом зависит от их физических свойств.

Мембраны представляют собой достаточно прочные и одновременно эластичные самоизолирующиеся образования, они обладают селективной проницаемостью к полярным растворителям. Их гибкость, эластичность позволяют трансформировать форму в процессе роста клетки и ее движения. Ее способность к изолированности при нарушении целостности клетки обусловлена способностью двух мембран сплавляться.

Мембраны не представляют только пассивный барьер. Они включают массив белков, являющихся промоторами или катализаторами различных молекулярных механизмов. Транспортные белки, встроенные в мембраны, подобно насосам перемещают растворы органических соединений и неорганических ионов через мембрану против градиента концентраций. Преобразователи энергии переводят энергию из одной формы в другую. Рецепторы на плазматической мембране воспринимают внеклеточные сигналы, преобразуя их в молекулярные изменения внутри клетки. Мембраны построены из двух слоев молекул, поэтому они очень тонкие, их можно рассматривать как двумерные системы.

Большое число процессов в клетке связано с мембранами (синтез липидов и определенных белков, преобразование энергии в митохондриях и хлоропластах). Так как межмолекулярные взаимодействия более вероятны в двумерном пространстве, чем трехмерном, эффективность фермент-катализируемых циклов превращений на мембранах существенно увеличивается.

Белки и полярные липиды составляют основную массу биологических мембран, небольшое количество углеводов представлено в гликопротеинах или гликолипидах.

 

Основные компоненты плазматических мембран.

 

Вид	Белок, %	Фосфолипид, %	Др. липиды	Стерол, %	Тип стерола
Печень мыши			-		Холестерол
Лист кукурузы			Галактолипид		Цитостерол
Дрожжи			Триацилглицеролы		Эргостерол
E. коли			Стерилсложные эфиры		-

 

 

Каждая мембрана имеет характерный липидный состав, что подтверждается исследованиями методом электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии детергента - додецилсульфата натрия.

Мембраны с различными функциями имеют в своем составе различные белки. Толщина мембран составляет от 5 до 8 нм. Основным структурным элементом мембраны выступает липидный бислой. Мембранные липиды находятся в постоянном движении. Хотя структура липидного бислоя сама по себе устойчива, молекулы индивидуальных фосфолипидов и стеролов имеют большую степень свободы в плоскости мембраны. Они диффундируют так быстро, что молекула индивидуального липида может переместиться, к примеру вокруг эритроцита всего лишь за несколько секунд. Внутренняя часть бислоя может рассматриваться как жидкость, углеводородные цепи жирных кислот находятся в постоянном движении в результате вращения вокруг одинарных С-С связей. Степень жидкостного состояния зависит от состава липидов и температуры. При низких температурах движение липидов замедляется и бислой имеет состояние близкое к паракристаллическому. Температура перехода от паракристаллического состояния к жидкому зависит от состава липидов мембраны. Насыщенные жирные кислоты способствуют образованию паракристаллического состояния. Содержание стеролов также определяет температуру перехода. Жесткие циклические структуры стеролов снижают свободу движения соседних жирнокислотных цепей. С другой стороны при низких температурах они препятствуют компактизации жирнокислотных цепей.

Как микроорганизмы, так и культуры животных клеток регулируют свой липидный состав таким образом, чтобы обеспечивать необходимую жидкую консистенцию в изменяющихся условиях роста.

Жирнокислотный состав клеток Е. коли, выращенных при разных температурах

Жирная кислота	Процент жирной кислоты
10°С	20°С	30°С	40°С
Миристиновая (14: 0)
Пальметиновая (16: 0)
Пальметолеиновая (16: 1)
Олеиновая (18: 1)
Гидроксимиристиновая
Отношение: ненасыщенные к-ты / насыщенные к-ты	2, 90	2, 00	1, 60	0, 38

 

Мембранные белки пронизывают липидный бислой, могут быть фиксированы на внешней или внутренней стороне бислоя. Мембранные белки ориентированы асимметрично, они могут быть разделены на две группы: внутренние (неотъемлемые) и внешние (периферические) белки. Периферические белки могут быть отделены от мембраны путем мягких обработок, они в общем случае растворимы в воде. Напротив внутренние мембранные белки требуют для своего отделения действия ряда агентов (детергентов, органических растворителей или денатурантов). 0ни образуют нерастворимые в воде агрегаты.

Каждая живая клетка требует для своего существования поступления из окружения питательных веществ для биосинтеза и получения энергии, она выделяет в окружающую среду вторичные продукты метаболизма. Плазматическая мембрана содержит белки, которые распознают и переносят в клетку такие необходимые вещества, как углеводы, аминокислоты и неорганические ионы. В некоторых случаях эти компоненты поступают в клетку против градиента концентрации, т.е. накачиваются в клетку посредством биологических транспортных систем.

 

Типы транспорта

Тип транспорта	Носитель белка	Создает конц. градиент	Зависит от энергии	Примеры
Простая диффузия	Нет	Нет	Нет	Н2О, О2, N2, CH4
Пассивный транспорт	Да	Нет	Нет	Глюкоза проникает в эритроциты
Активный транспорт: Первичный	Да	Да	Да	Н+АТФаза
Вторичный	Да	Да	Да	Аминокислоты и сахара
Ионные каналы	Да	Нет	Нет	Na+ канал ацетил-холина

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Структура билипидного слоя плазматической мембраны.

2. Зависимость жирнокислотного состава клетки от темпетратуры.

3. С чем связана проницаемость липидных мембран?

4. Особенности транспорта ионов натрия и калия через плазматические мембраны.

Тестовые вопросы

1. Перечислить основные органические соединения из которых построены биологические мембраны клеток.

а) белок;

б) углеводы;

в) органические кислоты.

2. Какова толщина биомембран клеток?

а) 5-8 нм;

б) 15 нм;

в) 25 нм;

г) 50 нм.

3. Какими способами осуществляется перенос вещества через мембраны?

а) латеральная диффузия;

б) поперечная диффузия;

в) избирательная диффузия.

 

 

ТЕМА 8. УГЛЕВОДЫ

 

Углеводы - это наиболее распространенные природные биологические молекулы на Земле. Каждый год растениями и водорослями в результате фотосинтеза более чем 100 млрд. кубических метров СО₂ и Н₂О превращаются в целлюлозу, хитин и другие продукты. Определенные углеводы (сахар, крахмал) стали определяющими в диете человека во многих странах мира. Окисление углеводов есть центральный производящий энергию путь в большинстве нефотосинтетических реакциях. Нерастворимые полисахариды служат структурным и защитным материалом клеточных стенок бактерий и растений, а также соединительных тканей животных. Другие полисахариды обеспечивают адгезию клеток. Ковалентные комплексы полисахаридов с белками и липидами действуют в качестве сигнальных веществ, которые определяют внутриклеточную локализацию или метаболизм глико-конъюгатов. По химическому строению углеводы представляют собой полигидрокси-альдегиды или полигидроксикетоны или вещества, которые образуют их при гидролизе. Большинство веществ этого класса имеют эмпирическую формулу, в которой отношение С: Н: О есть 1: 2: 1, например, эмпирическая формула глюкозы может быть записана как С₆Н₁₂О₆ или (СН₂О)₆ или С₆(Н₂О)₆. Многие углеводы имеют формулу (СН₂О)_n, некоторые углеводы содержат в своем составе атомы H, P, S.

Можно выделить три основных класса углеводов: моносахариды, дисахариды, полисахариды. Моносахариды или просто сахара содержат одну полигидроксиальдегидную или кетонную единицу. Самым распространенным природным моносахаридом является шестиуглеродный сахарид - D-глюкоза. Олигосахариды представляют короткие цепи из моносахаридных остатков, соединенных посредством гликозидных связей. Из олигосахаридов наиболее распространены в природе дисахариды, а из дисахаридов - сахароза или просто сахар. Полисахариды состоят из длинных цепей, имеющих сотни или тысячи моносахаридных единиц. Некоторые поласахариды встречаются в форме линейных цепей, как например целлюлоза, другие, такие как гликоген, крахмал имеют разветвленные цепи.

 

Моносахариды

 

Существует два семейства моносахаридов, это - альдозы, когда на конце углеродной цепи присутствует карбонильная группа, и кетозы, когда карбонильная группа расположена в ином другом положении. Простейшими моносахаридами являются две трехуглеродные триозы - глицероальдегид и дигидроксиацетон.

 

 

альдоза кетоза

Моносахариды с 4, 5, 6, 7 атомами углерода называются соответственно тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы. Альдозы и кетозы каждой из этих цепей называются альдотетрозы и кетотетрозы, альдопентозы и кетопентозы и т.д. Среди альдогексоз, D-глюкоза, и среди кетогексоз, D-фруктоза, - это наиболее распространенные моносахариды.

 

D-глюкоза D-фруктоза

 

 

Две альдопентозы - D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза являются компонентами нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Все моносахариды, за исключением дигидроксиацетона, содержат один или более асимметричный (хиральный) атом углерода и таким образом, они встречаются в оптически активных изомерных формах.

Простейшая альдоза, глицероальдегид, содержит один хиральный центр, и поэтому имеет два различных оптических изомера, или энантиомера.

 

 

В общем случае молекула с " n " хиральными центрами имеет 2ⁿ стереоизомеров. Так, альдогексозы с 4 хиральными центрами имеют 2⁴ =16 стереоизомеров.

D-АЛЬДОПЕНТОЗЫ

 

D-рибоза D-арабиноза D-ксилоза D-ликсоза

 

D-АЛЬДОГЕКСОЗЫ

 

D-аллоза D-альтроза D-глюкоза D-манноза

 

 

 

D-гулоза D-идоза D-галактоза D-талоза

D-КЕТОПЕНТОЗЫ

D-рибулоза D-ксилулоза

 

D-КЕТОГЕКСОЗЫ.

 

D-псикоза D-фруктоза D-сорбоза D-тагатоза

 

В действительности, моносахариды с 5 и более атомами углерода обычно встречаются в водном растворе в циклических формах, в которых карбонильная группа образует ковалентную связь с атомом кислорода гидроксильных групп. При образовании циклических структур формируются дополнительно два стереоизомера относительно атома углерода С-1. Циклические формы cахаров с 5 атомами углерода в цикле называются пиранозидами.

 

 

 

a-D-глюкопираноза b -D-глюкопираноза

 

a- и b-формы D-глюкозы превращаются друг в друга в водном растворе, этот процесс получил название мутаротации. Полуацетальный атом углерода (С-1) называют аномерным атомом углерода.

Кетогексозы также встречаются в форме a- и b-аномерных форм. В этих соединениях гидроксильная группа у С-5 (или С-6) реагирует с кетогруппой у С-2, образуя фуранозный (или пиранозный) цикл, содержащий полукетальную связь.

 

a-D-фруктофураноза b-D-фруктофураноза.

Шестичленный цикл в пиранозах имеет конформации кресла и ванны. Эти конформации оказывают существенное влияние на пространственные формы полисахаридов и их биологические функции.

 

Дисахариды

 

Дисахариды состоят их двух моносахаридных остатков, соединенных О-гликозидной связью.

 

 

 

1 4

 

Мальтоза (О-a-D-глюкопиранозил-1-4-b-D-глюкопираноза)

 

 

 

1 4

 

Лактоза (О-b-D-галактопиранозил-1-4-b-D-глюкопираноза)

 

Для описания химической структуры олигосахаридов и полисахаридов приняты следующие аббревиатуры моносахаридов:

АРАБИНОЗА….Arа РИБОЗА............................…..Rib

ФРУКТОЗА......Fru КСИЛОЗА..........................….Xyl

ФУКОЗА...........Fuc ГЛЮКУРОНОВАЯ К-ТА.….GLcUA

ГАЛАКТОЗА.....Gal ГАЛАКТОЗАМИН...........…..GalN

ГЛЮКОЗА.........Glc ГЛЮКОЗАМИН................….GlcN

МАННОЗА.........Man N-Ацилгалактозамин........…GalNAc

РАМНОЗА.......Rha N-ацилглюкозамин.............…GlcNAc

Полисахариды

Гомополисахариды

Линейный полисахарид Разветвленный полисахарид

А А А А А А

 

А А А

 

 

 

Гетерополасахариды

 

Линейный гетерополисахарид Разветвленный гетерополисахарид

А В А А В А

 

В А В

 

Целлюлоза - основной компонент клеточных стенок растений, наиболее распространенный полисахарид в природе.

 

Хитин - основной компонент панциря насекомых, крабов, раков, креветок, второй по распространенности полисахарид в природе.

 

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Отличается числом хиральных центров молекула глюкозы в ациклической и циклической форме или нет?

2. Объясните почему эквимолярная смесь D-глюкозы и D-фруктозы, полученная гидролизом сахарозы, называется инвертным сахаром?

3. Аномеры сахарозы?

4. Роль фермента инвертазы при получении шоколада?

 

Тестовые вопросы

1.Перечислите в результате каких реакций в растительной клетке образуются углеводы?

а) фотосинтеза;

б) гидролиза;

в) этерификации.

2. Углеводные фрагменты «амилоза и амилопектин» составная часть какого углевода?

а) крахмала;

б) сахароза;

в) глюкоза;

г) мальтоза.

3. Какой связью связаны остатки моносахаридов в дисахаридах?

а) гликозидной;

б) пептидной;

в) сложно-эфирной;

г) водородной.

4. К какой группе углеводов относится «пектин»?

а) дисахаридам;

б) полисахаридам второго порядка;

в) моносахаридам.

5. Какова структура гликогена?

а) остатки глюкозы;

б) остатки фруктозы;

в) остатки галактозы;

г) остатки лактозы.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: