Химический состав живых организмов. Структура и разнообразие белков

ф-та психологии МГУ
Лектор: проф. Дубынин В.А.
Лекция 2. Химический состав живых организмов.
Структура и разнообразие белков.
Внутреннее строение нейронов.
Потенциал покоя нервных клеток.

образуют ионы
(переносчики зарядов в
биоэлектрических процессах):
NaCl ? Na+ + Cl-

Na+ и Са2+ – активирующее действие на нервную систему
К + и Cl- – участвуют в торможении нервных клеток

капли и
двуслойные пленки.
Такие пленки – основа всех биологических
мембран (строительная
функция + энерге-
тическая и запасающая).

(-NH2), кислот-
ную группу (-COOH), радикал (R).
Всего в состав белков входят 20 типов а/к;
они различаются лишь хим. структурой R.

Полимеризация а/к с образованием белка происходит за счет связывания СООН-группы предыдущей а/к с NH2-группой следующей а/к.

Итоговая цепь а/к – первичная структура белка. Радикалы не принимают участия в ее формировании. Средняя длина белков. молекулы – 300-700 а/к. У каждого белка – своя уникальная первичная структура.

аминогруппах довольно большого положительного заряда, на кислотных группах – отрицательного заряда.

Взаимное притяжение таких (+) и (–) ведет к укладке белковой цепи в спи-раль (на каждом витке примерно 3 а/к; радикалы в этом вновь не участвуют).

следовательно,
зависит от первичной структуры).

Взаимодействие радикалов может происходить благодаря:
образованию ковалентной химической связи
притяжению неравномерно заряженных областей
контакту углеводородных участков (как в случае «хвостов» липидных молекул) и др.

(«лиганда») по принципу «ключ-замок».
После этого белок способен выполнить с
лигандом те или иные операции.

Тип операции с лигандом = тип белка.

клетки; через него может идти диффузия (как правило, строго определенных мелких частиц – молекул Н2О, ионов К+, Na+ и др.).

Диффузия – движение частиц среды из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией;
чем больше разность концентраций, тем
интенсивнее диффузия.

(«канал закрыт»). Створка при определенных условиях может открываться, «разрешая» диффузию
(условия открытия: появление определенных химических веществ, электрические воздействия и др.).

в сторону внешней среды;
происходит при-соединение лиганда.

этом случае – сигнал об определенном событии во внешней (межклеточной) среде.
После присоединения лиганда рецептор запускает реакцию клетки, влияя на ферменты, насосы, ионные каналы и т.п.

вещества)
двигательные белки (актин и миозин; за счет их взаимодействия происходит сокращение мышечных клеток)
строительные белки (коллаген – белок межклеточного вещества соединительной ткани; кератин – волосы и ногти)
запасающие белки (казеины молока, глютены пшеницы и др.)

антиген

анти-
тело

сеть молекул
коллагена

потомству.
Передача потомству = репликация ДНК (размножение на молекулярном уровне).
Генетическая информация = информация о первичной структуре белков.

Ген – фрагмент молекулы ДНК, несущий информацию о структуре определенного белка. Всего ДНК человека (23 молекулы) содержит около 30 тыс. генов. Каждая молекула ДНК (хромосома) в обычных клетках присутствует в двух экземплярах: отцовском и материнском.

РНК выполняет вспомогательную функцию, обеспечивая превращение генетической инфор-мации в конкретные белки (и-РНК – связующее звено между ДНК и рибосомами).

и-РНК (копия того или иного гена), выходя из ядра, вступает в контакт с рибосомами, управляя сборкой соответствующ. белка.

3. Рибосомы: комплекс РНК и белков-ферментов; здесь идет синтез белка по «инструкции» и-РНК; в нейронах очень много рибосом (признак чрезвычайно активного обмена веществ).

4. Эндоплазматическая сеть (ретикулум): ЭПС – система тонких разветвленных мембранных каналов, пронизывающая всю цитоплазму; транспортная функция.

и их упаковка в пузырьки-везикулы («почкование» везикул).

везикула

Далее везикулы направля-ются к клеточной мембра-не и сливаются с нею. В результате происходит выброс (экзоцитоз) содержимого пузырьков в межклеточную среду.

Таким путем осуществля-ется выделение пищева-рительных ферментов, гормонов, медиаторов.

здесь завершается окисление органических веществ (прежде всего, глюкозы); при этом расходуется О2, выделяется СО2 и из АДФ образуется АТФ.

наружная
мембрана

внутренняя
мембрана

криста

АТФ – аденозинтрифосфорная к-та АДФ – аденозиндифосфорная к-та
АДФ + фосфорная к-та → АТФ
(реакция запасания энергии; ею управляют особые дыхательные фер-менты, расположенные на складках-кристах внутренней мембраны м/х)
АТФ → АДФ + фосфорная к-та
(реакция выделения энергии; идет в любой части клетки, где необходимо «привести в действие» белки-насосы, ферменты и т.п.)

АТФ – универсальный
внутриклеточный
переносчик энергии;
в организме человека
ежедневно синтезируется
и распадается более
50 кг этого вещества

потенциалов действия (ПД).
Этот процесс можно сравнить с передачей информации с помощью включения и выключения фонарика (ПД = «вспышка света»).
Но для того, чтобы фонарик работал, нужна батарейка – источник электрической энергии. В случае нейрона таким источником слу-жит постоянный внутриклеточный заряд –
потенциал покоя (ПП).

Электрические свойства нейронов.
Потенциал покоя и потенциал действия.

среднем -70 мВ.

Измерить ПП можно с помощью тончайшей, особым образом вытянутой стеклянной трубочки-микроэлектрода. Его кончик имеет диаметр < 1 мкм, что позволяет практически без повреждения проткнуть мембрану клетки.

Микроэлектрод (в т.ч. канал внутри кончика) заполнен раствором соли, проводящим эл. ток. Это позволяет сравнить заряд цитоплазмы нейрона с зарядом межклеточной среды).

клетки; погибший нейрон быстро теряет ПП.

Первопричина ПП – разность концентраций ионов K+ и Na+
внутри и снаружи нейрона. Эту разность создает работа
особого белка-насоса Na+- K+- АТФазы (Na+-К+-насоса).

меньше Na+ и в 30 раз больше К+, чем в
межклеточной среде.
К+out : К+in = 1 : 30 Na+out : Na+in = 10 : 1

неверен, поскольку двигаются заряженные частицы, и выход К+ сопро-вождается накоплением в цитоплазме отрицательного заряда.

Этот отрицательный заряд мешает диф-фузии и в конце концов останавлива-ет её. Возникает состояние «динами-ческого равновесия»: число ионов К+, покинувших клетку благодаря диффузии = числу ионов К+, втянутых в клетку отрицательным за-рядом цитоплазмы.

ПП – это отрицате-льный заряд цито-плазмы, останавли-вающий диффузию ионов К+ в межкле-точную среду.

межкле-точную среду.

Вальтер Нернст
(Ноб.пр. 1921)

«Уравнение Нернста»: ПП ~ lg ( К+out / К+in )
коэффициент пропорциональности равен 61.5 мВ для Т=36.6°С;

С учетом этого ПП = -91 мВ
(«равновесный потенциал» для К+)
логарифм равен -1.48 (для соотно-
шения концентраций 1/30).

ближе к нулю
(в среднем -70 мВ).
Причина: существование
небольшого количества
постоянно открытых
каналов для ионов Na+.

Такой вход Na+ ведет к сдвигу заряда цитоплазмы вверх
и частичной потере ПП (отсюда название – «ток утечки Na+ »).

ПП (отсюда название – «ток утечки Na+ »).

В целом ПП зависит от 3-х главных факторов:
- диффузии K+ из клетки;
- диффузии Na+ в клетку;
- работы Na+-K+-АТФазы.

ПП (отсюда название – «ток утечки» Na+).

В целом ПП зависит от 3-х главных факторов:
- диффузии K+ из клетки;
- диффузии Na+ в клетку;
- работы Na+-K+-АТФазы.
Диффузия K+ из клетки определяется разностью
концентраций К+out и К+in .

Если увеличить К+out , то разность концентраций станет меньше, диффузия – слабее, и для ее остановки потребуется не столь значительный ПП (произойдет сдвиг заряда цито-
плазмы вверх до достижения новой точки равновесия).

Если снизить К+out , то раз-ность концентраций станет больше, диффузия – силь-нее, и для ее остановки по-требуется более значитель-ный ПП (сдвиг заряда цито-плазмы вниз).

Этот график можно по-лучить в эксперимен-те, но в ре-альном мозге в норме такого не происходит

ПП (отсюда название – «ток утечки» Na+).

В целом ПП зависит от 3-х главных факторов:
- диффузии K+ из клетки;
- диффузии Na+ в клетку;
- работы Na+-K+-АТФазы.
Диффузия Na+ в клетку зависит, прежде всего, от числа постоянно открытых Na+-каналов на мембране.

Это число, в свою очередь, является стабильным свойством конкретного нейрона. Чем больше таких каналов, тем ПП ближе к нулю, чем меньше – тем ПП ближе к уровню -91 мВ.

Чем ближе ПП к нулю, тем возбудимее нейрон (такие нужны, например, в центрах бодрствования);
чем ближе ПП к уровню -91 мВ, тем ниже возбудимость
(минимальна в центрах, запускающих движения).

А: нейрон с большим числом Na+-каналов
Б: нейрон со средним числом Na+-каналов
(ПП= -70 мВ)
В: нейрон с малым числом Na+-каналов

клетки;
- диффузии Na+ в клетку;
- работы Na+-K+-АТФазы.
Работа Na+-K+-АТФазы может быть наруше-на химич. веществами, например, токсином одной из тропических лиан строфантином.

В этом случае ток утечки Na+ не будет полностью компенсироваться и ПП сместится в сторону нуля (степень смещения зависит от дозы токсина = доля заблокированных насосов).

Большая доза токсина настолько нарушает работу Na+-K+-АТФаз, что ПП теряется (происходит «разрядка батарейки фонарика»).
Аналогия: Na+-K+-насос = «за-рядное устройство» нейрона

уровень; уровень бортов лодки над
водой = ПП (зависит от «веса лодки» = разность
концентраций К+ во внешней среде и цитоплазме).
Ток утечки Na+ = отверстия в Na+-K+-АТФаза – ковш, которым
лодке, через которые втекает вычерпываем воду, удерживая
вода и снижает абсолютное лодку на плаву («поломка ковша»
значение ПП (приближая его к 0). строфантином приведет к тому,
что лодка утонет).

белков. Внутреннее строение нейронов. Потенциал покоя нервных клеток».
Какое вещество содержится в организме человека в наибольшем количестве?
Какие ионы оказывают на нейроны активирующее действие, а какие – участвуют в торможении нервных клеток?
Приведите примеры моно- и полисахаридов. Каковы их функции в организме человека?
Опишите химическое строение липидов (в том числе, фосфолипидов).
Как устроены клеточные мембраны?
Опишите химическое строение аминокислоты. Сколько типов аминокислот входят в состав белков нашего организма?
Что такое первичная, вторичная и третичная структура белка? За счет чего происходит их образование?
Что из себя представляет и какую функцию выполняет активный центр белка?
Охарактеризуйте два типа белков-ферментов.
Приведите пример транспортного белка крови.
В чем сходство и различие белков-каналов и белков-насосов.
Какую функцию выполняют белки-рецепторы. Приведите пример.
Приведите примеры белков, выполняющих защитную, двигательную, строительную и запасающую функции.
Что такое ген и какую информацию он несет?
Какова функция и-РНК и рибосом?
Охарактеризуйте строение и функции эндоплазматической сети (ЭПС).
Как устроен и функционирует комплекс Гольджи?
Какие группы веществ выводятся из клетки при экзоцитозе содержимого везикул?
Как устроены и функционируют митохондрии?
Какую роль в жизнедеятельности клетки играет АТФ?
С помощью какого метода можно измерить заряд цитоплазмы нейрона?
Дайте определение потенциалу покоя (ПП) нервной клетки.
Что представляет собой Na+-К+-АТФаза и как она работает?
Каково среднее соотношение концентрации ионов Na+ в межклеточной среде и цитоплазме нейрона?
Каково среднее соотношение концентрации ионов К+ в межклеточной среде и цитоплазме нейрона?
Какую роль в возникновении ПП играют постоянно открытые К+-каналы?
Что такое диффузия и от чего она зависит?
Что останавливает диффузию ионов К+ из цитоплазмы нейрона в межклеточную среду?
Чему пропорционален ПП (исходя из уравнения Нернста)?
Как изменится ПП, если увеличить концентрацию ионов К+ в межклеточной среде? Почему?
Как изменится ПП, если снизить концентрацию ионов К+ в межклеточной среде? Почему?
Какую роль в установлении ПП играют постоянно открытые Na+-каналы?
Как будет различаться ПП в нейронах с большим, средним и малым числом постоянно открытых Na+-каналов?
Каким должен быть ПП нейронов с высоким уровнем возбудимости? Для выполнение каких функций нужны такие нейроны (приведите пример)?
Каким должен быть ПП нейронов с низким уровнем возбудимости? Для выполнение каких функций нужны такие нейроны (приведите пример)?
Каким окажется уровень ПП при полном отсутствии постоянно открытых Na+-каналов?
«Ток утечки Na+ компенсируется деятельностью Na+-К+-АТФазы». Поясните эту фразу.
К каким изменения уровня ПП ведет выключение части молекул Na+-К+-АТФазы? Почему?
Приведите пример вещества, нарушающего работу Na+-К+-АТФазы. По вашему мнению, его использование в небольших количествах будет снижать или повышать возбудимость нейрона?
Какие три процесса взаимно уравновешиваются, обеспечивая ПП? Что соответствует этим процессам в аналогии
с «лодкой на поверхности водоема»?