4. Содержимое всех живых клеток отделено от окружающей среды специальными структурами - биомембранами, которые обычно называют прото- плазматическими мембранами. У растений и бактерий наряду с такими мембранами снаружи клетки еще имеется клеточная стенка. Для эукариотических клеток характерно деление внутреннего содержимого клетки на отдельные отсеки, или компартменты. Они представляют собой субклеточные органеллы, ограниченные мембранами, например, ядро митохондрии, аппарат Гольджи. Однако мембраны служат не только поверхностями раздела. По существу, мембраны представляют собой сложные по строению и разнообразные по функциям биохимические системы.
Термин мембрана известен с середины XIX в., но современные представления о строении и биологических функциях мембран начинали складываться в 70-е годы XX в. Мембраны - надмолекулярные комплексы толщиной в несколько молекул. Их размеры составляют 60-100 А. Основные составные части мембран - белки и липиды, а также углеводы. Между всеми компонентами мембран существуют нековалентные кооперативные взаимодействия.
Структурную основу мембран составляют липиды, а функциональную роль выполняют белки, которые являются ферментами, транспортными белками, рецепторами, переносчиками, образующими поры, каналы и насосы. Существуют две основные теории строения мембран.
1.Теория "элементарной мембраны " или липидно-белкового бислоя, предложенная в 1910 г. Д. Даниэли и наиболее подробно изученная Дж. Ро- бертсоном. В 1959 г. он опубликовал видимое под микроскопом строение мембран в виде двух электронноплотных слоев, разделенных менее плотным слоем, определил размеры и состав этих слоев. Наружные гидрофильные части липидных молекул были связаны с белками, а гидрофобные образовали внутреннюю часть, или "кор". Так как на границе жир-вода существует большое поверхностное натяжение, то гидрофобность липидных компонентов уравновешивается гидрофильностью белков.
2.В 1971 г. Ф. Сенгери Г. Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель биомембран, согласно которой мембраны представляют собой жидкокристаллические структуры, в которых белки могут быть не только на поверхности мембран, но и пронизывать их насквозь. В этом случае основой мембраны является липидный бислой, в котором углеводородные цепи фосфолипидов находятся в жидкокристаллическом состоянии, и с этим бислоем связаны белки двух типов: периферические и интегральные. Первые - гидрофильные, связаны с мембранами водородными и ионными связями и могут быть легко отделены от липидов при промывании буфером, солевым раствором или при центрифугировании. Вторые белки - гидрофобные, находятся внутри мембраны и могут быть выделены только после разрушения липидного слоя детергентом (процесс солюбилизации мембран), например, додецилсульфатом натрия, ЭДТА и другими. Интегральные белки, как правило, амфипатические, то есть своей гидрофобной частью они взаимодействуют с жирными кислотами, а гидрофильной частью - с клеточным содержимым. Интегральные белки часто являются гликопротеидами, которые синтезируются в аппарате Гольджи, гликозилируются в мембране и содержат много гидрофобных АК и до 50% спиральных участков. Эти белки перемещаются внутри липидного бислоя со скоростью, сравнимой с перемещением в среде, имеющей вязкость жидкого масла ("море липидов с плавающими айсбергами белков").
Координирующая роль мембран состоит в том, что многие ферменты активны только в связанном с мембранами состоянии (мембраны создают своеобразный "биологический конвейер"). Поэтому, важна также векторная роль мембран в действии ферментов. Примерами могут быть процессы фотосинтеза: трансформация энергии и биосинтез органических веществ протекает на мембранах как высокоорганизованный процесс; дыхание и окислительное фосфолирование в мембранах митохондрий, а также всасывание и переваривание пищи, возникновение и передача импульсов в нервной системе, работа органов чувств, работа сердца, сокращение мышц.
Жизнедеятельность клетки и есть существование мембран. Возможно, именно с появлением мембран связано возникновение жизни. Состав мембран постоянно обновляется: у белков в течение 2-6 дней, липидов - в течение 1-2 дней. Но несмотря на непрерывное обновление мембранных компонентов, их структурная организация в течение жизни клетки остается постоянной.
Одной из основных функций мембран является регуляция поступления различных веществ в клетку и их выведения в окружающую среду, то есть осуществление мембранного транспорта. С этим связано и взаимодействие клеток с окружающей средой, и межклеточное взаимодействие, перенос и превращение энергии, работа рецепторов и органов чувств, передача нервных импульсов и работа центральной нервной системы у высших организмов.
Биологические мембраны по природе своей полупроницаемы, так как трудно представить нормальную жизнедеятельность клетки, если бы она была окружена полностью непроницаемой или полностью проницаемой мембраной, поэтому фактически часть веществ может проходить через мембрану, а другая должна переноситься специальными переносчиками.
Различают два вида мембранного транспорта: активный и пассивный. Если вещества двигаются через мембрану из участка с высокой концентрацией в сторону более низкой концентрации, то такой транспорт называют пассивным, или диффузией. Диффузия протекает без затрат энергии и может быть простой или облегченной.
Простая диффузия ионов происходит через поры в мембране, называемые ионными каналами, которые образованы мембранными белками. Путем простой диффузии переносятся вода, неорганические ионы и некоторые сходные с липидами соединения.
Облегченная диффузия - перемещение молекул из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией с помощью белков-переносчиков (или специальных пептидов-ионофоров). Процесс этот называют пассивным, так как он идет по градиенту концентрации, но отличается от обычной диффузии следующими особенностями:
осуществляется быстрее, чем обычная диффузия;
достигает насыщения;
специфичен по отношению к переносимым молекулам.
Активный транспорт - процесс переноса молекул или ионов через
мембраны против градиента концентрации. Такой процесс требует участия специальных переносчиков и затрат энергии. В организме человека на процессы активного транспорта расходуется около 40% всей потребляемой энергии. Примером активного транспорта является поддержание разницы в концентрации ионов между цитоплазмой и межклеточным окружением: К2+ и Mg2+ больше внутри клетки, a Na+ и Са2+ - снаружи, то есть имеет место трансмембранный градиент. Он поддерживается благодаря непрерывной, требующей затрат энергии работе специализированных белковых структур - насосов (Na+, К+-АТФаза, Са2+, Мg2+-АТФаза).
Существуют особые виды мембранного транспорта, которые нельзя четко определить как пассивные или активные. Так, у эукариотов мембраны могут впячиваться внутрь, образуя сферические пузырьки. Внеклеточные белки, прикрепленные к мембране в месте впячивания, оказываются внутри пузырьков. Затем пузырьки отделяются от мембраны и сливаются с лизосомами, где захваченные белки расщепляются ферментами - такой процесс называется пиноцитозом, или эндоцитозом. Может происходить и обратный процесс - экзоцитоз. Процесс, аналогичный пиноцитозу, но с захватом твердых частиц, называется фагоцитозом. Он впервые был обнаружен И. И. Мечниковым и подробно изучен у лимфоцитов крови (за это исследование И. И. Мечников получил Нобелевскую премию).
Особенностью этих процессов является то, что связывание происходит без затрат энергии, но специфически: если в мембране нет подходящих участков связывания для захватываемой частицы, то она и не взаимодействует с ней. Однако образование пузырька и его отрыв от мембраны требует затрат энергии, что указывает на сходство специфических видов клеточного транспорта с активным транспортом. Характерно также дальнейшее слияние пузырьков с лизосомами, где содержимое пузырьков разрушается.
5. Водная среда – важнейшее условие протекания биохимических процессов. Особая роль воды для биохимических реакций объясняется следующими ее уникальными свойствами:
вода - универсальный растворитель;
- у воды низкая температура замерзания и высокая температура кипения;
диэлектрическая проницаемость воды, равная 80, превосходит таковую для многих жидкостей, и дает возможность удерживать растворенные в ней вещества на расстоянии, способствуя образованию диполей;
высокая теплота испарения (540 кал/г) и высокая теплоемкость, равная 1 кал для нагрева 1 г воды на 1 градус, позволяют поддерживать постоянной температуру живых существ;
плотность воды максимальна при 4 °С и выше, она превышает плотность льда, что позволяет сохранять жизнь в замерзающих водоемах;
молекулы воды образуют водородные связи, причем не только в жидкой воде, но и в кристаллах льда и в водяных парах - этим объясняются высокая температура кипения и высокая теплота испарения. В биологических молекулах водородные связи очень важны как для поддержания структуры макромолекул, так и для их функционирования.
Лекция 2.
Углеводы в живом организме.
Вопросы:
1.Функции и классификация углеводов
2. Основные моносахариды и их производные.
3. Схема образования олигосахаридов. Сахароза, лактоза, мальтоза (строение и функции).
4. Строение и функции полисахаридов (крахмал, гликоген, целлюлоза, пектиновые вещества).
1.В количественном отношении углеводы представляют наиболее значительную группу среди природных органических веществ. В живых организмах они выполняют четыре вида функций:
-
являются источниками: энергии,
источники резервных веществ (крахмал, гликоген),
выполняют опорные функции (клетчатка, хитин),
выполняют специфические функции (мукополисахариды, входящие в состав слизей, компонентов крови).
|
В химическом отношении углеводы имеют сравнительно простую организацию и представляют собой многоатомные альдегидоспирты или кетоноспирты.
Все встречающиеся в природе углеводы делятся на три группы: моносахариды, олигосахариды, состоящие из нескольких простых сахаров (от 2 до 10), и полисахариды, образующие цепи из большого числа моносахаридных единиц.
2. Моносахариды классифицируются по числу углеродных атомов в цепи. Сахар, состоящий из двух, трех, четырех, пяти, шести, семи углеродных атомов, соответственно называют биозой, триозой, тетрозой, пентозой, гексозой, гептозой. Окончание «оза» имеют и все моносахариды, включающие альдегидную группу, которые называются альдозами. Моносахариды, содержащие кетонную группу, имеют окончание «улоза». Наибольшее биологическое значение из пентоз имеют рибоза и дезоксирибоза – неотъемлемые составные части ДНК и РНК.
b-d-рибоза
|
b-d-2-дезоксирибоза
|
Из гексоз наиболее важны глюкоза, фруктоза, галактоза.
Отдельно следует рассмотреть изомерию моносахаридов, которая зависит от их строения и представлена следующими видами.
Структурная изомерия, которая обусловлена наличием различных функциональных групп, примером могут служить глюкоза и фруктоза.
Оптическая изомерия, при которой число изомеров (энантиомеров) зависит от количества асимметрических атомов углерода в молекуле и может быть рассчитано по формуле: общее число энантиомеров = 2", где п - число асимметрических центров. Очевидно, число энантиомеров очень велико, так, для глюкозы оно равно 24 = 16. Принадлежность оптических изомеров к D- или L-ряду определяют по положению ОН-группы у атома углерода, наиболее отдаленного от карбонильной группы, и сравнивая конфигурацию моносахаридов с конфигурацией глицеринового альдегида в качестве стандарта.
В природе преобладают моносахариды с D-конфигурацией.
Кроме оптических изомеров, являющихся зеркальными отображениями, моносахариды существуют также в виде диастереомеров, то есть таких изомеров, которые отличаются конфигурацией только одного из асимметрических атомов, такие изомеры называются эпимерами, например, глюкоза и галактоза.
Наличие большого числа различных изомеров (структурных, оптических, пространственных), свойственное углеводам, связано с многообразием реакций и сложностью процессов, в которых принимают участие углеводы. Ферменты, катализирующие обмен углеводов, проявляют специфичность как в отношении их структуры, так и в отношении их изомерии. Так, ферменты специфически катализируют реакции с участием только D-изомеров глюкозы и ее α-аномеров.
Моносахариды часто претерпевают внутримолекулярную конденсацию карбонильной группы и ОН-группы у более отдаленного от функциональной группы атома углерода. При этом образуется циклический полуацеталь или полукеталь для альдоз и кетоз соответственно. На примере глюкозы эти структуры можно представить в следующем виде: в линейной формуле Фишера после перестановок заместителей у пятого атома углерода все находящиеся слева заместители окажутся над плоскостью кольца в циклической формуле Хеуорса, а находящиеся справа заместители - под плоскостью. В результате появляются так называемые α-аномеры (у С-1 ОН-группа находится под плоскостью) и (β-аномеры (у С-1 ОН-группа находится над плоскостью). Схема перехода от линейных проекций Фишера к циклическим структурам Хеуорса показана на рисунке 2.
Рисунок 2 - Образование циклических форм моносахаридов
При образовании циклической структуры углерод карбонильной группы превращается в новый хиральный центр, называемый аномерным углеродным атомом. При линейном изображении моносахаридов структуру с аномерной ОН-группой, расположенной справа от общей цепи атомов, называют α-аномером, а структуру с ОН-группой слева - β-аномером. Реакции образования аномеров обратимы, и аномеры взаимопревращаемы, но в биохимических реакциях участвует один из аномеров, например, α- D -глюкоза, но β-D-рибоза.
При замещении гидроксильной группы у второго углеродного атома на аминогруппу образуются аминосахара. Важнейшие и наиболее распространенные аминосахара – глюкозамин и галактозамин.
-
При восстановлении соответствующих моносахаридов образуются сахароспирты. Наиболее широко распространены сорбит, маннит, дульцит.
-
СН2ОН
Н–С–ОН
НО–С–Н
Н–С–ОН
Н–С–ОН
СН2ОН
сорбит
|
СН2ОН
НО–С–Н
НО–С–Н
Н–С–ОН
Н–С–ОН
СН2ОН
маннит
|
СН2ОН
Н С ОН
НО–С Н
НО–С–Н
Н С ОН
СН2ОН
дульцит
|
При окислении моносахаридов образуются сахарокислоты. Особенно важное значение имеют три типа кислот: альдоновые, у которых окислена карбонильная группа; уроновые, у которых окислена первичная спиртовая группа; и сахарные кислоты, у которых окислены первичная спиртовая и карбонильная группы.
-
СООН
(СНОН)4
СН2ОН
альдоновая кислота
|
СНО
(СНОН)4
СООН
уроновая кислота
|
СООН
(СНОН)4
СООН
сахарная кислота
|
В биохимическом отношении наиболее важны фосфоглюконовая кислота (эфир альдоновой кислоты), являющаяся промежуточным продуктом в процессе дыхания, и уроновые кислоты.
-
СНО
Н–С–ОН
НО–С–Н
НО–С–Н
Н–С–ОН
СООН
D-галактуроновая кислота
|
СНО
Н–С–ОН
НО–С–Н
Н–С–ОН
Н–С–ОН
СООН
D-глюкуроновая кислота
|
Глюкуроновая и галактуроновая кислоты широко распространены в растениях как компоненты слизей. D-глюкуроновая кислота в сочетании с фенолами или спиртами встречается в организмах животных и выполняет функцию противоядия против некоторых веществ, которые, соединяясь с глюкуроновой кислотой, выводятся из организма. Кроме того, уроновые кислоты принимают участие в образовании важных в биохимическом отношении полисахаридов. |
