2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

сомах и др.). Выходя в кровь, сигнализируют о глубоком поражении клетки.

Изоферменты – это молекулярные формы фермента, которые катализируют одну и ту же реакцию, но различаются по некоторым свойствам: аминокислотной последовательности, молекулярной массе, аминокислотному составу, субстратной специфичности, элетрофоретической подвижности и др.

Изоферменты являются продуктами экспрессии разных генов: гены могут быть в разных хромосомах (например, для амилазы слюны и амилазы панкреатической) или в одной хромосоме (например, для цитоплазматической и митохондриальной малатдегидрогеназы).

Существуют различия в распределении изоферментов в разных тканях, в разных внутриклеточных компартментах, что отражает различия в метаболизме, например, изоферменты могут иметь разное сродство к субстрату (глюкокиназа печени имеет более низкое сродство к глюкозе, чем гексокиназа – изофермент, ускоряющий фофорилирование глюкозы в других тканях).

Один из основных механизмов образования изоферментов включает объединение разных субъединиц в разной комбинации при образовании активного олигомерного фермента.

Пример. Креатинкиназа (КК) катализирует обратимую реакцию образования и распада креатинфосфата – вещества, которое участвует в запасании энергии.

КК

Креатин + АТФ ↔ Креатинфосфат + АДФ

Фермент креатинкиназа (КК) является димером, состоящим из 2 субъединиц. Субъединицы В (мозговая) и М (мышечная) закодированы в разных генах.

Фермент КК представлен 3 изоферментами, которые различаются по электрофоретической подвижности:

–ВВ (КК-1) – мозговой, максимальное продвижение к аноду.

–МВ (КК-2) – сердечный, средняя подвижность.

–ММ (КК-3) – мышечный, самый медленный.

Изоформы креатинкиназы.

Набор изоформ КК в разных тканях неодинаков:

–КК-1 присутствует в значительных количествах в мозге, простате,

желудке, легких, плаценте, щитовидной железе.

–КК-2 находится в основном в сердечной мышце (25-46% от общей активности фермента), в скелетной мышце (5%).

–КК-3 присутствует в основном в клетках скелетных и сердечной

мышц.

62

Примеры органоспецифических ферментов (изоферментов)

Энзимопатология

Наследственные энзимопатии – заболевания, связанные с на-

следственными дефектами ферментов. Изменения при этом могут быть двух типов:

1)Связанные с образованием избытка субстрата реакции или его предшественников. Например, накопление и выделение галактозы при дефекте фермента, превращающего галактозу в фруктозу – галактоземия.

2)Связанные с недостаточностью образования продуктов измененной химической реакции. Этот тип сопровождается клиническими проявлениями. В этой фазе обычно уже бывает поздно применять действенные терапевтические меры.

Энзимотерапия

– это использование ферментов и регуляторов их активности в качестве лекарственных средств.

63

Использование ферментов в качестве аналитических реагентов

64

Лекция 5

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ. ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ТРАНСПОРТ

Общая характеристика и функции мембран

Термин «мембрана» используется вот уже более 100 лет для обозначения клеточной границы, служащей, с одной стороны, барьером между содержимым клетки и внешней средой, а с другой – полупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые из растворенных в ней веществ. Тем самым, мембрана играет активную роль в поддержании жизнедеятельности клетки, обеспечивая внутри нее необходимый «микроклимат».

Мембраны – важная составная часть и клеточных компонентов – ядра, митохондрий, лизосом, хлоропластов и т. п. Таким образом, клетка весьма насыщена разнообразными мембранными структурами, образующими в сущности разветвленную, четко организованную сеть. Отсюда понятна ключевая роль мембран в жизни клетки, которая по мере развития биологических наук становится все более очевидной.

Биологические мембраны – это сложные, высокоорганизованные надмолекулярные динамичные структуры, построенные главным образом из липидов и белков. Весовое соотношение между ними колеблется от 1:4 во внутренней мембране митохондрий до 4:1 в миелине нервных волокон. Кроме того, в состав мембран в заметных количествах входят углеводы и вода. Количество связанной (неспособной растворять вносимые вещества) воды может достигать 30 % общего веса мембраны.

Химический состав некоторых мембран (G.Zubay, Third Edition.)

Мембраны не являются пассивными полупроницаемыми оболочками. Они принимают прямое и очень важное участие в жизнедеятельности клетки, определяя особенности ее функционирования.

Функции мембран:

1.Наиболее очевидной является отделение клетки как целого от окружающей среды (плазматическая мембрана). С другой стороны, внутриклеточные мембраны ограничивают органеллы и формируют обособленные отсеки – компартменты. Наличие

65

последних обеспечивает функциональную специализацию клетки, тонкую регуляцию процессов, протекающих в ней.

2.Мембраны осуществляют высокоизбирательный транспорт веществ. Перемещение многих соединений происходит против градиента концентрации, то есть совершается осмотическая работа. Наличие транспортных систем регулирует молекулярный и ионный состав внутриклеточной среды.

3.В мембранах локализованы основные биоэнергетические процессы – окислительное фосфорилирование (внутренняя мембрана митохондрий) и фотосинтез (мембрана тилакоидов хлоропластов растений) – обеспечивающие клетки энергией.

4.Мембраны играют центральную роль в системе межклеточных взаимоотношений, участвуют в восприятии и преобразовании поступающих внешних сигналов. Результатом чего могут быть такие ответы как деление клетки, ее направленное движение (хемотаксис бактерий, лейкоцитов), восприятие света, изменение направления протекания биохимических процессов в клетке в ответ на действие гормона и т. д. В свою очередь некоторые мембраны сами способны генерировать сигнал – химический или электрический.

Липиды мембран

Основу всех мембран клетки составляет липидный матрикс в виде бимолекулярного слоя. В его образовании участвуют молекулы липидов трех основных классов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. К

числу минорных липидных компонентов мембран, которые, тем не менее, выполняют важные биологические функции, относятся токоферолы (витамин Е), ретиналь (витамин А), убихинон (кофермент Q) и ряд дру-

гих жирорастворимых соединений.

Мембраны различного происхождения сильно отличаются друг от друга по содержанию в них липидов разного типа.

Липидный состав некоторых мембран (Д.Мецлер, 1980)

66

Фосфолипиды практически во всех мембранах составляют основную часть липидной фракции (от 40 до 90% общего количества липидов). Мембранные фосфолипиды делятся на глицерофосфолипиды (производные фосфатидной кислоты) и сфингофосфолипиды (производные церамида). Из первой группы в мембранах доминируют фосфа-

тидилхолин и фосфатидилэтаноламин, в меньших количествах содержатся фосфатидилсерин и фосфатидилинозит.

Фосфатидилхолин (лецитин)

67

Фосфатидилинозит

Сфингофосфолипиды в основном представлены сфингомиелином.

HOCH CH CH (CH2)12 CH3

O

CH NH C R

HOCH2

Церамид

Фосфолипиды играют основную (структурную) роль в мембранном бислое – их молекулы построены по единому плану и стерически хорошо «соответствуют» друг другу. В то же время, структурное единообразие не исключает наличия огромного числа различных фосфолипидов, что обеспечивается разнообразием жирных кислот, входящих в их состав. Преобладающими являются: – С16 (пальмитиновая), С18 (стеариновая), С18:2 (линолевая), С18:3 (линоленовая), С20:4 (арахидоновая).

В молекулах глицерофосфолипидов цепи жирных кислот, связанные с С1 и С2 атомами глицерина, неравнозначны. Обычно из двух цепей лишь принадлежащая С2-углеродному атому имеет двойные связи.

Степень насыщенности жирных кислот влияет на плотность упаковки молекул в мембранах: фосфолипиды, имеющие в своем составе полиненасыщенную жирную кислоту образуют более рыхлый бислой благодаря менее упорядоченной пространственной конфигурации.

Гликолипиды в основном принадлежат к группе гликосфинголипидов, которые также являются производными церамида, однако, в от-

68

личие от сфингофосфолипидов, не содержат фосфата, который заменен на один или несколько остатков углевода.

Из гликолипидов наиболее распространены:

1. Цереброзиды – углеводная часть представлена гексозой (галак-

тоза, реже глюкоза). В наибольших количествах цереброзиды присутствуют в миелиновых оболочках нервов.

2.Сульфатиды (сульфатные эфиры цереброзидов) – отличаются

от цереброзидов наличием остатка серной кислоты, присоединенного сложноэфирной связью к С3'-атому углевода. Сульфатиды встречаются

взаметных количествах в белом веществе мозга.

3.Ганглиозиды – в структурном отношении сходны с цереброзидами, отличаются тем, что вместо моносахарида содержат сложный, часто разветвленный, олигосахарид, имеющий в своем составе, помимо других углеводов, по крайней мере один остаток N-ацетил-

нейраминовой кислоты. Ганглиозидов много в сером веществе мозга на внешней поверхности плазматических мембран нервных и глиальных клеток.

N-ацетил-нейраминовая кислота

За счет углеводного компонента, гликосфинголипиды (особенно ганглиозиды) вовлечены в процесс приема сигналов, поступающих в клетки из окружающей среды. Они активно участвуют в контроле и регуляции межклеточных контактов; рецепции пептидных гормонов, бактериальных токсинов. Структура ганглиозидов и их состав генетически

69

контролируются ферментами гликозилтрансферазами, поэтому ганглиозиды обладают высокой тканевой специфичностью и могут выступать в роли антигенов клеточной поверхности.

Стероиды – группа соединений, содержащих углеродный скелет циклопентанпергидрофенантрена. Главным представителем стероидов, который присутствует в большинстве мембран животных клеток, является холестерин. Исключение составляет внутренняя мембрана митохондрий, где его уровень очень низок.

Холестерин

Наличие в молекуле холестерина жесткой структуры из четырех конденсированных колец позволяет играть ему важную роль модификатора липидного бислоя, регулируя упаковку и контролируя подвижность его компонентов. Под влиянием холестерина возрастает плотность упаковки молекул липидов (происходит увеличение упорядоченности в расположении углеводородных цепей остатков жирных кислот) в толще бислоя и уменьшение их подвижности. Тем самым холестерин оказывает влияние на функциональную активность мембраны – ее проницаемость для веществ различной природы, работу встроенных в мембрану ферментов и т. д. Возрастание уровня холестерина в мембранах – характерная черта наследственных гиперхолестеринемий, ишемической болезни сердца, атеросклероза.

70

Структура главных липидов биологических мембран имеет одну общую черту, которая определяет их способность к образованию двойного липидного слоя в водной среде. Все эти соединения амфифильны по своей природе, то есть содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки.

В бислое молекулы липидов уложены в виде двух параллельных монослоев, обращенных друг к другу своими гидрофобными сторонами. Полярные группы липидных молекул образуют соответственно две гидрофильные поверхности, отделяющие внутреннюю неполярную область бислоя от водной среды. Толщина липидного бислоя определяется, прежде всего, длиной углеводородных цепей радикалов жирных кислот, а также плотностью упаковки липидных молекул и варьирует в пределах 5-10 нм.

Условия, в которых находятся молекулы липидов, по разные стороны бислоя могут значительно различаться по таким параметрам, как ионный состав среды, рН, наличие или отсутствие мембрано-активных

веществ и др. В результате состав липидов на наружной стороне бислоя может быть иной, чем на внутренней. Так, в цитоплазматической мембране эритроцитов фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозит локализованы преимущественно на внутренней стороне мембраны, а фосфатидилхолин и сфингомиелин – на внешней. Холестерин также неравномерно распределен между внутренним и внешним листками липидного бислоя. Его содержание во внешнем монослое мембраны почти в два раза больше, чем во внутреннем.

Бислой может находиться в двух основных состояниях – кристаллическом (гелевом, «твердом») и жидкокристаллическом («текучем», «расплавленном»). Состояние геля образуется, когда жирнокислотные «хвосты» липидов находятся в полностью упорядоченной транс-

конформации. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, которая зависит как от строения углеводородных цепей жирных кислот в составе липидных молекул, так и от природы их полярных головок. Во многих случаях фазовые изменения

71