VIII. СТРУКТУРА КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН
Биологические мембраны различаются как по функции, так и по структуре, однако всем им присущи следующие основные свойства:
– мембраны представляют собой плоские структуры толщиной в несколько молекул, образующие сплошную перегородку между клеткой и окружающей средой, а также между различными отсеками (компартментами) клетки; толщина мембран составляет обычно 60–100 А;
– мембраны состоят из липидов, белков и углеводов, весовое соотношение белков и липидов 1:4-4:1; углеводные компоненты связаны как с липидами, так и с белками;
– мембраны - нековалентные, надмолекулярные структуры, составляющие мембрану белки и липиды удерживаются вместе благодаря возникновению нековалентных кооперативных взаимодействий;
– мембраны асимметричны, их наружная и внутренняя поверхность отличаются друг от друга;
– мембраны - жидкие структуры, молекулы липидов и белков не зафиксированы в определенном месте силами специфического взаимодействия и поэтому легко диффундируют в плоскости мембраны;
– основными функциями мембраны являются разграничительная, транспортная и рецепторная.
7.1. Основу биологических мембран составляют фосфолипиды, образующие в результате самосборки бимолекулярный слой. Нарисуйте его схему. За счет каких сил происходит самосборка бислоя (выделите основные и добавочные)?
7.2. Фосфолипидный бислой в водном растворе стремится замкнуться на себе. Чем обусловлено такое замыкание? Какое оно имеет значение для живой клетки?
7.3. При электрофорезе белков эритроцитарной мембраны выделяют 7 фракций (1-7). Белки 1, 2, 3, 4, 5 и 6 экстрагируются из мембран (но не из цельных эритроцитов) при повышении ионной силы или изменении рН, при обработке мембран протеазами. Обработка протеазами целых эритроцитов не оказывает влияния на указанные белки. Белки 3 и 7 не экстрагируются при повышении ионной силы и изменении рН, но отделяются от нее с помощью детергентов или органических растворителей. Белок 3 разрушается химотрипсином при обработке мембран, целых эритроцитов и вывернутых везикул, белок 7 не разрушается протеазами при обработке вывернутых везикул. Обсудите вопросы: а) локализации белков в эритроцитарной мембране, б) природы связей белков с фосфолипидным остовом мембраны, в) функции мембранных белков. Нарисуйте схему расположения белков в мембране эритроцитов.
7.4. Структуры олигосахаридов клеточных мембран несут признаки генетической информации, хотя генетической программы для олигосахаридов в клетке не существует. Дайте объяснение этому кажущемуся противоречию.
7.5. Две молекулы одной аминокислоты образуют только 1 изомер, а 2 молекулы одного моносахарида – 11 изомеров. Три разных аминокислоты могут образовать 6 изомеров, а три разных моносахарида – 1056 изомеров. Объясните причину этого различия.
7.6. Во всех исследованных к настоящему времени клетках млекопитающих животных углеводные компоненты цитоплазматических мембран локализованы только на их наружной стороне. Обсудите вопрос о функции углеводного компонента. Обоснуйте Ваше мнение.
7.7. Для всех биологических мембран характерно свойство текучести, от которого в значительной степени зависит осуществление функции мембран. Текучесть мембраны зависит от состава ее липопротеидного бислоя. Прокариоты регулируют текучесть своих мембран путем изменения состава жирных кислот фосфолипидов бислоя. У эукариот ключевым регулятором текучести мембраны является также холестерин. Как изменится текучесть мембраны при увеличении в ней содержания: а) жирных кислот с короткой углеводородной цепью, б) ненасыщенных жирных кислот, в) жирных кислот с циклосодержащим радикалом, г) холестерина?
Проверьте знания с помощью приводимых ниже тестов
Биологические мембраны
В 1972 году Сингер и Николсон предложили модель структуры биологических мембран, которая получила название ...(1) модели. Структурной основой клеточных мембран является двойной слой ...(2), основными силами, обеспечивающими формирование этого слоя, являются …(3). Толщина биологических мембран в среднем равна ...(4). Билипидный слой мембран является непрерывным и асимметричным, внутренняя поверхность его заряжена ...(5) за счет преобладания в ней ...(6), наружная поверхность заряжена …(7) вследствие преобладания …(8).
Биологические мембраны представляют собой липопротеидные образования, белки, находящиеся на поверхности липидного слоя мембраны, называются …(9), а белки, погруженные в липидный слой, – …(10). Белки, связанные с наружной поверхностью цитоплазматической мембраны, чаще всего выполняют функцию ...(11), белки, пронизывающие липидный слой, обеспечивают функцию …(12), а белки, связанные с внутренней поверхностью цитоплазматической мембраны, обычно представляют собой ...(13).
Текучесть липидного слоя мембраны зависит от структуры входящих в ее состав ацильных радикалов, в случае увеличения содержания радикалов относительно низкомолекулярных жирных кислот текучесть мембраны ...(14), при увеличении содержания радикалов насыщенных жирных кислот текучесть мембраны …(15). В мембранах с высоким содержанием радикалов насыщенных жирных кислот скорость диффузии ...(16), чем в мембранах с высоким содержанием радикалов ненасыщенных жирных кислот. В пределах одного слоя липидная молекула меняет свое окружение в среднем ...(17) в секунду, а переход из одного слоя мембраны в другой происходит в среднем 1 раз в …(18). Углеводный компонент мембраны обнаруживают на …(19) поверхности цитоплазматической мембраны. Он играет важную роль в осуществлении ...(20) функции клетки.
Интегральный белок, N-концевой фрагмент которого находится на внеш-
ней поверхности мембраны эритроцита, а С-концевой фрагмент – на внутрен-
ней поверхности, называется …(24). Интегральный белок, N-концевой фраг-
мент которого находится на внутренней поверхности мембраны эритроцита, а С‑концевой фрагмент – на внешней поверхности, называется …(25).
Наиболее хорошо изученным периферическим белком мембраны эритроцитов является ...(26). При обработке интактных эритроцитов протеазами этот белок не расщепляется, но он гидролизуется при инкубации с протеолитическими ферментами мембран разрушенных эритроцитов (теней), на этом основании можно сделать вывод, что данный белок связан с ...(27) поверхностью мембраны эритроцитов.
В мембране эритроцитов есть анионный канал, обеспечивающий проникновение через мембрану …(28) и ...(29). Анионный канал представляет собой белок, называемый …(30).
Некоторые олигосахаридные комбинации известны как антигены групп крови АВО, эритроциты О-группы содержат только основной антигенН, в эритроцитах А группы к Н антигену присоединены остатки ...(31), в эритроцитах В группы – остатки …(32), в эритроцитах АВ группы – остатки …(33) и ...(34).
Эритроциты в крови имеют …(35) заряд, который обусловлен группировками …(36).
При изучении распределения фрагментов интегрированных белков внутри билипидного слоя и вне его установлено, что основная масса аминокислотных остатков гликофорина локализуется …(37), а белков полосы III ...(38) бислоя. Белок полосы III выполняет функцию …(39).
Различают три вида транспорта через биологические мембраны – ...(40), ...(41) и ...(42). Транспорт, осуществляющийся против градиента концентрации, называется ...(43), транспорт по градиенту концентрата, протекающий с низкой скоростью, – ...(44), а транспорт по градиенту концентрации с высокой скоростью – …(45).
VIII. АЗОТИСТЫЙ ОБМЕН
В организме содержатся многочисленные азотсодержащие соединения, различающиеся по структуре и функциям. Основным источником азотсодержащих соединений для организма являются пищевые белки. При их гидролизе в желудочно-кишечном тракте образуется сумма заменимых и незаменимых аминокислот. Всасываясь в кровь воротной вены, эти аминокислоты попадают в первую очередь в печень и подвергаются там анаболическим и катаболическим превращениям. Основная масса всасывающихся аминокислот используется для биосинтеза белков крови и тканей. Многие аминокислоты служат исходным продуктом для образования биологически активных веществ (углеводов, пуриновых и пиримидиновых оснований, порфиринов, гормонов, нейромедиаторов).
Общими для всех или большинства аминокислот путями обмена являются окислительное дезаминирование, трансдезаминирование и декарбоксилирование. При окислительном дезаминировании и трансдезаминировании выделяется аммиак, а при декарбоксилировании – амины. Аммиак обезвреживается путем образования мочевины и амидов глутаминовой и аспарагиновой аминокислот, а амиды – путем окислительного дезаминирования. Нарушение обезвреживания аммиака в печени приводит к развитию клинического симптомокомплекса, называемого печеночной комой, а замедление обезвреживания аминов – к нарушению функций сердечно-сосудистой, дыхательной, пищеварительной, иммунной и других систем.
8.1. Напишите формулы незаменимых для человека аминокислот. Назовите их.
8.2. Напишите процесс окислительного дезаминирования глутаминовой кислоты. Назовите фермент, катализирующий этот процесс. Назовите кофермент, участвующий в осуществлении этого процесса.
8.3. Напишите процесс трансаминирования между аланином и альфа-кетоглутаровой кислотой, аспарагиновой и альфа-кетоглутаровой кислотой. Назовите ферменты, катализирующие эти процессы. Назовите кофермент, участвующий в осуществлении этого процесса.
8.4. Напишите процесс трансдезаминирования валина. Назовите ферменты, катализирующие этот процесс. Назовите коферменты, участвующие в осуществлении этого процесса.
8.5. Напишите процесс биосинтеза мочевины. Назовите ферменты, катализирующие этапы этого процесса.
8.6. Нарисуйте схему, иллюстрирующую взаимосвязь циклов мочевины и лимонной кислоты с учетом компартментализации этапов этих процессов.
8.7. Нарисуйте схему орнитинового цикла. Покажите на схеме места возникновения возможных метаболических блоков. Назовите основные биохимические признаки каждого блока.
8.8. Назовите фермент, дефект которого характеризуется следующими биохимическими признаками: а) аргинин-янтарной аминоацидурией, б) гипераргининемией, в) гиперорнитинемией, г) цитрулинемией, д) гипераммонией. Для лечения нарушений в цикле орнитиновой кислоты применяют введение: а) альфа-кетоаналогов незаменимых аминокислот, б) аргинина, в) бензойной кислоты, г) орнитина. Обсудите механизм лечебного эффекта этих соединений.
8.9. Накопление аммиака в клетках головного мозга является непосредственной причиной нарушения психического состояния при циррозах печени. Причиной токсического действия аммиака считается вторжение его в энергетический метаболизм клетки. Обсудите возможный механизм токсического действия аммиака.
8.10. Нарушение психического состояния, вызванного накоплением аммиака в клетках головного мозга, может быть обусловлено циррозом печени или наличием портокавального анастомоза. В каком из этих случаев можно рекомендовать периодическое голодание с целью снижения поступления аммониегенного субстрата и в каком нельзя?
8.11. Приступы печеночной комы удается облегчить, а сопровождающую их гипераммониемию уменьшить путем введения больным аргинина или протамина. Обсудите механизм действия этих соединений.
8.12. Молочнокислые бактерии растут на простой культуральной среде, содержащей четыре аминокислоты, рибофлавин, пиридоксин. Если в культуральную среду добавить полный набор аминокислот и рибофлавин, то количество пиридоксина, необходимого для оптимального роста бактерий, сокращается на 90%. Обсудите причину этого явления.
8.13. Напишите процесс восстановительного аминирования пировиноградной, щавелевоуксусной и кетоглутаровой кислот. Назовите образовавшиеся при этом аминокислоты. Назовите ферменты, катализирующие эти процессы. Назовите кофермент, участвующий в осуществлении этих процессов.
8.14. Напишите формулу глицина и серина.
8.15. Назовите вещество, являющееся предшественником глицина в организме человека. Напишите процесс образования глицина. Какой для этого необходим кофермент?
8.16. Назовите биологически активные вещества, для биосинтеза которых используется глицин.
8.17. Напишите процесс образования креатина и креатинфосфата из глицина. В каких органах протекает первый и второй этапы этого процесса? Охарактеризуйте физиологическое значение креатинфосфата.
8.18. Напишите процесс образования дельта-аминолевуленовой кислоты. Назовите фермент, катализирующий это превращение. Какой продукт является ингибитором этого фермента?
8.19. Назовите вещество, являющееся предшественником серина в организме человека. Напишите процесс образования серина. Какие для этого необходимы ферменты?
8.20. Напишите формулы и назовите одноуглеродные фрагменты, образующиеся из серина.
8.21. Назовите биологически активные вещества, для биосинтеза которых используются следующие одноуглеродные фрагменты: а) метильный, б) метиленовый, в) метенильный, г) формильный.
8.22. Напишите формулы метионина и цистеина.
8.23. Напишите процесс превращения метионина в цистеин. Назовите ферменты, катализирующие это превращение. Какой для этого необходим кофермент?
8.24. Назовите биологически активные вещества, для биосинтеза которых используется метионин.
8.25. Введение животным большого количества гуанидинуксусной кислоты обусловливает интенсивный синтез креатина и приводит к жировому перерождению печени. Инъекции аргинина не сопровождаются значительным увеличением содержания креатина и не вызывают развития жировой инфильтрации печени. Как можно объяснить эти наблюдения? Как можно предотвратить развитие жировой инфильтрации печени, вызываемой введением гуанидинуксусной кислоты?
8.26. Назовите биологически активные вещества, для биосинтеза которых используется цистеин.
8.27.Напишите формулы фенилаланина и тирозина.
8.28. Напишите процесс катаболизма фенилаланина и тирозина. Какой для этого нужен витамин?
8.29. Напишите схему превращения тирозина в адреналин.
8.30. Напишите схему превращения тирозина в меланины.
8.31. Напишите процесс превращения тирозина в тироксин.
8.32. Напишите формулы триптофана и гистидина.
8.33. Напишите схему катаболизма триптофана. Назовите ферменты, катализирующие этот процесс. Какой для этого необходим кофермент?
8.34. Напишите биологически активные вещества, которые образуются из триптофана.
8.35. Напишите процесс превращения триптофана в серотонин.
8.36. Напишите процесс превращения триптофана вмелатонин.
8.37. Напишите процесс превращения гистидина в гистамин.
8.38. Напишите формулы лейцина и изолейцина.
8.39. Напишите процесс катаболизма лейцина. Назовите характер химического процесса на каждом этапе. Какие коферменты необходимы для осуществления этих процессов?
8.40. Напишите процесс катаболизма изолейцина.
8.41. Нарисуйте схему обмена фенилаланина и тирозина. Покажите на схеме места возможных генетически обусловленных блоков.
8.42. Назовите генетический дефект, приводящий к развитию фенилкетонурии.
8.43. Назовите биохимические признаки фенилкетонурии.
8.44. Назовите основное клиническое проявление фенилкетонурии. Каковы его причины?
8.45. В больницу доставлен 2-летний ребенок, страдающий частыми рвотами. Рвоты случаются, как правило, после приема пищи. Ребенок отстает в весе и физическом развитии. Волосы темные, но попадаются седые пряди. Проба мочи после добавления хлорного железа приобрела зеленый цвет. Количественный анализ мочи дал следующие результаты: содержание в моче (ммоль/л) фенилаланина 7,0 (норма – 0,01), фенилпирувата – 4,8 (норма – 0), фенилалактата – 10,3 (норма – 0). Обсудите причины наблюдающихся клинических и биохимических симптомов.
8.46.Назовите основной принцип лечения фенилкетонурии.
8.47. Назовите биохимический дефект, приводящий к развитию тирозиноза.
8.48. Назовите биохимические признаки тирозиноза.
8.49. Какой режим белкового питания следует рекомендовать при фенилкетонурии и тирозинозе? Обоснуйте свой ответ.
8.50. Назовите биохимический дефект, приводящий к развитию альбинизма.
8.51. Назовите биохимический дефект, приводящий к возникновению алкаптонурии.
8.52. Описано два типа заболеваний, общим для которых является нарушение пигментации волос и кожи. Один тип заболеваний характеризуется наличием кетонурии, при другом типе кетонурия отсутствует. Где локализуется метаболический блок при этих заболеваниях? Каковы его последствия? Как лечить таких больных?
8.53. Обсудите вопрос о локализации метаболического блока при фенилкетонурии и тирозинемии. Какой режим белкового питания следует рекомендовать при этих формах нарушения обмена метаболизма аминокислот?
8.54. Назовите аминокислоты, являющиеся медиаторами нервной системы.
8.55. Выделите среди медиаторных аминокислот возбуждающие и тормозящие нейромедиаторы.
8.56. Назовите аминокислоты, являющиеся предшественниками нейромедиаторов.
8.57. Напишите процесс образования гамма-аминомасляной и гамма-оксимасляной кислот. Охарактеризуйте их медиаторное значение.
8.58.Напишите процесс образования норадреналина. Охарактеризуйте медиаторную функцию норадреналина.
8.59. Напишите процесс превращения гамма-аминомасляной кислоты в глутаминовую кислоту. Охарактеризуйте его метаболическое значение.
8.60. Напишите процесс образования дофамина. Охарактеризуйте медиаторную функцию дофамина.
8.61. Напишите процесс обезвреживания дофамина. Какой фермент катализирует этот процесс?
8.62. Для лечения некоторых заболеваний в психиатрической клинике принимают паргилин, образующий ковалентные связи с флавиновым коферментом моноаминоксидазы. Какой эффект – возбуждающий или тормозящий – оказывает этот процесс? Каков механизм действия этого препарата?
8.63. Введение глутаминовой кислоты и глицина повышает работоспособность мышц крыс. Обсудите биохимический механизм этого явления.