Функции белков

Функции белков сильно зависят от их способности связываться с теми или иными молекулами (лигандами). Специфичность связывания. Фермент-субстрат. Модель взаимодействия ключ-замок. Модель изменения конформации. Ферменты. Одна животная клетка содержит 1 000 – 4 000 ферментов.

Антиген-антитело. Иммуноглобулины. Антигены. Эпитопы – участки АГ, индуцирующие образование АТ.

Биомембраны. Структурная организация и основные функции. Фосфолипиды – главный компонент большинства мембран. Фосфолипиды – амфифатические (амфифильные) молекулы.

Фосфоглицериды – основной класс фосфолипидов. В них жирные кислоты связаны с двумя из трех гидроксильных групп глицерола, а третья группа фосфорилирована. В свою очередь, фосфатная группа связана с гидроксильной группой другого гидрофильного компонента, которым может быть холин или этаноламин, или серин, либо инозитол – многоатомные спирты. Фосфат и гидроксил имеют отрицательный заряд, что позволяет фосфолипидам взаимодействовать с водой. Жирные кислоты могут быть насыщенными или ненасыщенными.

Сфингомиелин – фосфолипид, который вместо глицерола содержит сфингозин – амино-спирт, с длинной ненасыщенной углеводородной цепью. Является компонентом плазматической мембраны.

Стероиды. В том числе холестерол, являются другим важным компонентом мембранных липидов. Холестерол является амфифильной молекулой. Холестерола очень много в плазмалемме клеток млекопитающих (30-50%), и почти нет в клетках прокариот.

Холестери́н (синоним: холестерол) — природный жирный (липофильный) спирт, содержащийся в клеточных мембранах всех животных организмов. Нерастворим в воде, растворим в жирах и органических растворителях. Около 80 % холестерина вырабатывается самим организмом (печенью, кишечником, почками, надпочечниками, половыми железами), остальные 20% поступают с пищей. В организме находится 80 % свободного и 20 % связанного холестерина. Холестерин обеспечивает стабильность клеточных мембран в широком интервале температур. Он необходим для выработки витамина D, выработки надпочечниками различных стероидных гормонов, включая кортизол, кортизон, альдостерон, женских половых гормонов эстрогенов и прогестерона, мужского полового гормона тестостерона, а по последним данным — играет важную роль в деятельности синапсов головного мозга и иммунной системы, включая защиту от рака.

Плазматические мембраны эукариот содержат довольно большое количество холестерола - приблизительно одну молекулу на каждую молекулу фосфолипида. Помимо регулирования текучести холестерол увеличивает механическую прочность бислоя. Молекулы холестерола ориентируются в бислое таким образом, чтобы их гидроксильные группы примыкали к полярным головам фосфолипидных молекул. При этом плоские стероидные кольца молекул холестерола частично иммобилизуют участки углеводородных цепей, непосредственно примыкающих к полярным головам. Остальные части углеводородных цепей не утрачивают своей гибкости. Холестерол предотвращает слипание и кристаллизацию углеводородных цепей, ингибирует фазовые переходы , связанные с изменением температуры и таким образом предотвращается резкое уменьшение текучести мембран , которое в противном случае имело бы место при низкой температуре.

Холестерин также является основным компонентом большинства камней в желчном пузыре (см. историю открытия).

Исследования установили зависимость между содержанием различных групп липопротеинов и здоровьем человека. Большое количество ЛП низкой плотности явно коррелирует с атеросклеротическими нарушениями в организме. По этой причине такие липопротеины часто называют «плохими». Низкомолекулярные липопротеиды малорастворимы и склонны к выделению в осадок кристаллов холестерина и к формированию атеросклеротических бляшек в сосудах, тем самым повышая риск инфаркта или ишемического инсульта, а также других сердечно-сосудистых заболеваний.

С другой стороны, большое содержание ЛП высокой плотности в крови характерно для здорового организма, поэтому часто эти липопротеины называют «хорошими». Высокомолекулярные липопротеины хорошо растворимы и не склонны к выделению холестерина в осадок, и тем самым защищают сосуды от атеросклеротических изменений (то есть не являются атерогенными).

Уровень холестерина в крови измеряется либо в ммоль/л (миллимоль на литр, российские единицы) либо в мг/дл (миллиграмм на децилитр, американские единицы). Считается идеальным, когда уровень «плохих» низкомолекулярных липопротеинов ниже 100 мг/дл (для лиц с высоким риском сердечно-сосудистых заболеваний — ниже 70 мг/дл). Такой уровень, однако, у взрослых достигается редко. Если уровень низкомолекулярных липопротеинов выше 160 мг/дл, рекомендуется использовать диету для снижения его ниже 130 мг/дл. Если этот уровень выше 190 мг/дл или упорно держится выше 160 мг/дл, рекомендуется взвесить возможность лекарственной терапии. Для лиц с высоким риском сердечно-сосудистых заболеваний эти цифры могут снижаться. Процент «хороших» высокомолекулярных липопротеинов в общем уровне холестерин-связывающих липопротеинов - чем выше, тем лучше. Хорошим показателем считается, если он гораздо выше 1/5 от общего уровня холестерин-связывающих липопротеинов.

К факторам, повышающим уровень «плохого» холестерина, относятся курение, избыточный вес, переедание, гиподинамия или недостаточная физическая активность, неправильное питание с высоким содержанием холестерина и насыщенных животных жиров в пище (в частности, жирное мясо, сало), высоким содержанием в пище углеводов (особенно легкоусваиваемых, типа сладостей и кондитерских изделий), недостаточным содержанием клетчатки и пектинов, липотропных факторов, полиненасыщенных жирных кислот, микроэлементов и витаминов, злоупотребление алкогольными напитками, а также некоторые эндокринные нарушения — сахарный диабет, гиперсекреция инсулина, гиперсекреция гормонов коры надпочечников, недостаточность гормонов щитовидной железы, половых гормонов.

Повышенный уровень «плохого» холестерина также может наблюдаться при некоторых заболеваниях печени и почек, сопровождающихся нарушением биосинтеза «правильных» липопротеидов в этих органах. Он может также быть наследственным, генетически обусловленным при некоторых формах так называемых «семейных дислипопротеинемий». В этих случаях больным, как правило, нужна специальная лекарственная терапия.

К факторам, снижающим уровень «плохого» холестерина, относятся физкультура, спорт и вообще регулярная физическая активность, отказ от курения и употребления избыточных количеств алкоголя, еда, содержащая мало насыщенных животных жиров и легкоусваиваемых углеводов и богатая клетчаткой, полиненасыщенными жирными кислотами, липотропными факторами (метионином, холином, лецитином), витаминами и микроэлементами.

Однако, представления о роли холестерина в жизнедеятельности организма человека меняются по мере появления новых знаний, а также в зависимости от конъюнктуры фармацевтического рынка. Независимые физиологи говорят о том, что уровень холестерина в крови не зависит от его поступления с пищей и не регулируется «антихолестериновыми» препаратами, а прием столь часто назначаемых статинов быстро разрушает печень. Здравый смысл говорит о том, что питание должно быть разнообразным, без переедания, а еще один необходимый фактор здоровья – движение. К сожалению, врачи часто руководствуются финансовой выгодой, назначая те или иные препараты.

Фосфолипиды, взятые в смеси в соотношениях, присутствующих в клетке, спонтанно формируют симметричный фосфолипидный бислой толщиной в 2 молекулы (самосборка). Углеводородная часть – гидрофобная сердцевина толщиной 3-4 нм – в большинстве биомембран. Сфингомиелины по размерам схожи с фосфоглицеридами, и могут вместе с ними формировать бислой.

Наиболее примечательное свойство чистых фосфолипидных бислоев – спонтанное формирование замкнутых структур, разграничивающих два водных компартмента. Пленки из фосфолипидных бислоев нестабильны, тогда как замкнутые сферические структуры устойчивы.

Аналогично, в клетке все мембраны замкнуты и окружают клетку или ее компартменты. Все мембраны имеют наружную и внутреннюю поверхности, создавая асимметричное пространство. Компартментализация – принцип организации клетки.

Согласно современным представлениям, биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток и формируют многочисленные внутриклеточные органеллы. Наиболее характерным структурным признаком является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства, и такая микроструктурная организация мембран позволяет им выполнять важнейшие функции.

Функции клеточных мембран.

1.Барьерная функция: мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза. К ним относятся механизмы создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородной и неоднородной возбудимым структурам.

2.Регуляторная функция клеточной мембраны заключается в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных «месенджеров» («посредников»).

3.Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

4.Высвобождение нейромедиаторов в синаптических окончаниях.

Электронно-микроскопическое исследование поперечных срезов клеточных мембран показывает трехлинейное (трехконтурное) строение: две тонких темных линии, разделенные светлой. Такой вид обусловлен тем, что четырехокись осмия связывается с полярными группами фосфолипидов по двойным связям, а гидрофобные концы молекул, формирующие светлую часть, не «окрашиваются». Толщина клеточных мембран (6--12 нм).

Клетка содержит огромное количество типов мембран, различающихся по белково-липидному составу. Препараты мембран клеток содержат смесь мембран разных органоидов. Исключение – эритроциты млекопитающих, которые не имеют внутренних мембран. Соотношение между липидами и белками в мембранах очень варьирует. Например, внутренняя мембрана митохондрий состоит на 76% из белков, а в мембране миелинового нервного волокна их только 18% - липидная изоляция.

В мембранах в среднем на одну молекулу белка приходится 50 молекул фосфолипидов.

Свойства мембраны определяются свойствами образующих её фосфолипидов и меняются в зависимости от содержания холестерола, длины и ветвления липидных цепей, а также степени насыщения липидов. Мембрана остается «твердой» до точки плавления липидов.

Асимметрия мембран и пространства, которое они ограничивают. Белки асимметричны в мембране и не переворачиваются. Гликолипиды и гликопротеины, как правило, не встречаются на внутриклеточных мембранах, а находятся с экзоплазматической стороны клетки.

Температурная подвижность: и в натуральной, и в искусственных мембранах фосфолипиды и гликолипиды могут вращаться вокруг своей оси и перемещаться в латеральной плоскости. При этом жирные кислоты остаются в пределах гидрофобной зоны. В обоих типах мембран средняя липидная молекула меняется местами с соседними около 10⁷ раз в секунду, и перемещается за секунду на несколько мкм при 37 °C. В таких условиях липидная молекула диффундирует по всей длине бактериальной клетки за 1 секунду, а по длине эукариотической клетки – за 20 сек.

В искусственных мембранах липиды не переворачиваются (flip-flop) и не меняют локализацию в листках бислоя. В природе такие перемещения бывают и катализируются специальными ферментами. Такое перемещение крайне невыгодно с энергетической точки зрения, поскольку необходим перенос полярной головки фосфолипида через гидрофобную зону.

Текучесть мембран. Липиды с ненасыщенными связями претерпевают фазовые переходы при более низких температурах, чем липиды с насыщенными связями. Гидрофобный внутренний слой мембран имеет небольшую вязкость и скорее жидкое, чем гелеобразное состояние. Очевидно, именно такое состояние оптимально для жизнедеятельности клетки. С уменьшением температуры, в мембранах повышается количество ненасыщенных жирных кислот – адаптация.

Холестерол также влияет на текучесть мембран. Его полярные гидроксильные группы находятся возле полярных фосфолипидных головок и стабилизируют их, снижая подвижность. В эукариотических клетках эффект холестерола проявляется в районе 37 °C. Ниже этого он усиливает текучесть мембраны, препятствуя связыванию углеводородных цепей жирных кислот между собой.

При скалывании замороженных мембран скол обычно проходит между двумя листками мембраны. Изучение реплик в ЭМ показывает множество выростов – белковые молекулы и их агрегаты.