Молекулярная биология

Введение

    Молекулярная биология, наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём изучения биологических объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез белков, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, превращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Отличительная черта молекулярной биологии — изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, которым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биологические образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные органеллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; далее — системы, стоящие на границе живой и неживой природы, — вирусы, в том числе и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи — нуклеиновых кислот и белков.

    Молекулярная биология — новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией, биофизикой и биоорганической химией. Разграничение здесь возможно лишь на основе учёта применяемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.

    Фундамент, на котором развивалась М. б., закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элементарных процессов  и т. д. По истокам своего развития М. б. неразрывно связана с молекулярной генетикой, которая продолжает составлять важную часть М. б., хотя и сформировалась уже в значительной мере в самостоятельную дисциплину. Вычленение М. б. из биохимии продиктовано следующими соображениями. Задачи биохимии в основном ограничиваются констатацией участия тех или иных химических веществ при определённых биологических функциях и процессах и выяснением характера их превращений; ведущее значение принадлежит сведениям о реакционной способности и об основных чертах химического строения, выражаемого обычной химической формулой. Т. о., по существу, внимание сосредоточено на превращениях, затрагивающих главновалентные химические связи. Между тем, как было подчёркнуто Л. Полингом, в биологических системах и проявлениях жизнедеятельности основное значение должно быть отведено не главновалентным связям, действующим в пределах одной молекулы, а разнообразным типам связей, обусловливающих межмолекулярные взаимодействия (электростатическим, ван-дер-ваальсовым, водородным связям и др.). 

1. Структура биомембран 

  1.1 Общие представления

  Как известно в клетке много разных мембран  – плазмолемма, или плазматическая мембрана (окружает клетку); внутренняя и наружная мембраны ядерной оболочки, внутренняя и наружная мембраны митохондрий; мембраны ЭПС (эндоплазматической сети), лизосом, пероксисом и прочих мембранный структур.

  Между этими мембранами существует определенные различия, но имеется и немало общего. Самое главное - то, что все они построены по одному и тому же принципу (рис. 1.1) 

  
 
 
 
 
 
 
 

                                           (рис. 1.1) 

  В основе биомембраны – двойной  слой амфифильных липидов (или липидный бислой). Конкретно, практически каждая молекула мембранного липида (рис 1.2) имеет гидрофильную «головку» и два гидрофобных «хвоста». Каждый из последних представляет собой длинную углеводородную цепь, причем обычно одна из этих цепей – предельная (т.е. не содержит двойных связей), а вторая – непредельная (имеет одну или более двойных связей).

 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                               (рис. 1.2)

  В водной среде такие амфифильные  молекулы самопроизвольно образуют бислой, в котором гидрофобные части молекул ориентированы друг к другу, а гидрофильные к воде.

  Кроме того, в состав мембран входят белки (см. рис. 1.1).

  При этом т. н. интегральные белки глубоко  встроены в мембрану, насквозь пронизывая липидный бислой. А периферические белки лишь связаны  с одной из поверхностей мембраны.

  Контакт белков с липидами бислоя происходит по тому же принципу: с гидрофобными частями липидов взаимодействуют  неполярные  (гидрофобные) радикалы аминокислот, а с гидрофильными  «головками» - полярные и заряженные радикалы.

  Кроме липидов и белков, во многих (хотя и не во всех) мембранах обнаруживаются углеводороды. Но не в качестве самостоятельных компонентов, а как составные части соответствующих липидов (гликолипидов) и белков (гликопротеинов). Чаще всего углеводы представлены олигосахаридными цепями и в случае плазмолеммы расположены с наружной ее поверхности.

  Все эти молекулы объединяются в мембраны, как считают, путем самосборки.

  Под световым микроскопом мембраны неразличимы.

  При электронной же микроскопии они выглядят в виде срединной светлой полосы и двух периферических электроноплотных полос. Светлая полоса – это гидрофобная часть липидного бислоя; темные полосы образованы гидрофильными «головками» липидов и белками.

     Количественные  характеристики вот некоторые количественные показатели, характеризующие содержание и размеры мембранных молекул.

  а) Соотношение по общей масселипидов и белков в мембранах обычно близко к 1:1, но иногда варьирует от 4:1 до 1:4.

     б) При этом липиды (в отличие от белков) являются низкомолекулярными веществами: молекулярная масса большинства мембранных липидов – около 740 Да, а для холестерина – почти вдвое ниже. Это практически на два порядка меньше молекулярной массы многих белков.

  в) По этой причине количество липидных молекул в мембране клетки (в частности, в плазмолемме) на те же два порядка больше, чем количество молекул белков.

  г) Естественно, значительно различается и площадь мембранной поверхности, приходящаяся на отдельные молекулы. Для липидной молекулы – это примерно 0,5 нм(2), а для белковой молекулы – порядка 20 – 30нм(2).

  д) Толщина же мембраны во многом определяется продольными размерами липидных молекул. Длина углеводородного «головок» липидов) -5,3 нм. Наконец, за счет белков толщина мембраны увеличивается до 7 – 10 нм.

  е) В случае плазмолеммы с внешней поверхности находится еще гликокаликс, толщина которого может варьировать от 4 до 200 нм, причем не только в зависимости от вида клетки, но и разных участках одной и той же клетки.

 Гликокаликс – это совокупность различных белков (часто – гликопротеинов), связанных с плазмолеммой. Некоторые из данных белков являются ферментами.

    Основные  свойства мембран отметим следующие общие свойства мебран.

    1) Замкнутость. Липидные бислои (и  мембраны) всегда самостоятельно замыкаются на себя с образованием полностью отграниченных отсеков. Действительно, лишь в этом случае все гидрофобные части липидов оказываются изолированными от водной фазы.

    По  той же причине при нарушении  целостности мембраны происходит ее «самосшивание».

    2) Латеральная подвижность. Несмотря  на замкнутость мембран, их  структура при температуре тела  не является жесткой. Компоненты  мембраны могут перемещаться  в пределах своего слоя. В большой  степени это относится к липидам,  но в немалой мере – и к белкам. Так , в результате случайной диффузии молекула крупного белка массой 100 000 Да за 10 с перемещается в мембране в среднем на 2,5 мкм, а молекула липида за то же время – в среднем на 5,5 мкм. По сравнению с размерами самих молекул это очень большие расстояния.

    Тем самым мембраны обладают свойствами двумерных жидкостей. По этой причине  модель строения биомембран называется жидкостно – мозаичной (мозаичной  – поскольку белки находятся  в мембране не на всем ее протяжении, а в виде отдельных островков).

    Кроме латеральной подвижности, некоторые  мембранные белки способны совершать  вращательные движения, меняя свою ориентацию относительно поверхностей мембраны. Так функционируют некоторые  мембранные переносчики: связав вещество с одной стороны, они поворачиваются в мембране на 180 градусов и высвобождают вещество с другой стороны мембраны. Белки с углеводными компонентами к подобному вращению никогда не способны – в силу высокой гидрофильности олигосахаридов.

    3) Асимметрия. Наружная и внутренняя  поверхности мембраны обычно различаются по своему составу:

   а) углеводные компоненты, как уже отмечалось, находятся с внешней поверхности  плазмолеммы;

   б)  многие белки расположены всегда только с наружной, а другие –  только с внутренней стороны;

   в)  нередко различается и липидный состав слоев бислоя.

   Выше (п.3.6.2.2) уже отмечалось, что полярность (асимметрия) мембраны возникает на ранних стадиях ее формирования и  затем все время сохраняется. 

1.2. Мембранные липиды

     Классы  мембранных липидов. В состав мембран входят липиды следующих классов:

  а) фосфолипиды (ФЛ),

     б) сфинголипиды (СЛ),

     в) гликолипиды (ГЛ),

  г) стероиды, а именно холестерин (ХС).

     Именно  липиды первых трех перечисленных классов  имеют то характерное строение (гидрофильная «головка» и два гидрофобных «хвоста»), которое было показано в общем виде на рис. 1.2. Это следует из их состава (рис.1.3, а-в).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                          (рис. 1.3)

     а) Так, у фосфолипидов (рис. 1.3, а) в состав «головки» обычно входят последовательно связанные друг с другом остатки азотистого основания       ( холамина, коламина или серина), фосфатной группы и трехатомного спирта глицерина. Все это полярные группировки (поскольку содержат много гетероатомов), и потому они являются гидрофильными.

     Остатки же жирных кислот (ЖК), образующие гидрофобные  «хвосты», соединены с глицерином. В качестве насыщенной кислоты часто  выступает пальмитиновая кислота (16 С-автомов), а в качестве ненасыщенной олеиновая кислота (18 С-атомов и 1 двойная  связь, что обозначается как С(18:1). В месте нахождения двойной связи углеводородная цепь делает изгиб на 40 градусов. Поэтому, несмотря на различие С-атомов в олеиновой и пальмитивновой кислотах, длина обоих «хвостов» (точнее, проекция длины на продольную ось) оказывается практически одинаковой. Это облегчает образование бислоя.

     Заметим: соединение, включающее те же компоненты, что и показанный на рис.1.3, а ФЛ, но без азотистого основания. Называется фосфатидной кислотой. Таким образом, ФЛ можно рассматривать как производные этой кислоты. Отсюда происходит название ряда важнейших ФЛ. В частности, типичным их представителем в мембранах является фосфатидилхолии, т.е. фосфотидная кислота, связанная с холином.

     В мембранах имеются и такие  ФЛ, чья структура несколько отличается от схемы, приведенной на рис. 1.3, а. например, кардиолипины ( рис.1.4) – это две фосфатидные кислоты, связанные друг с другом через глицерин. Соответственно, в этих молекулах – 4 углеводородных «хвоста» и более объемная, чем обычно, гидрофильная «головка». А в плазмалогенах вместо одного из остатков жирной кислоты содержится остаток альдегида ЖК.

 
 
 
 
 
 
 

                                             (рис. 1.4) 

     б) Особенность сфинголипидов (СЛ, РИС 1.3.б), по сравнению с ФЛ, состоит  в том, что вместо глицерина и одной из жирных кислот они включают сфингозин (он же сфингенин) – двухатомный аминоспирт, содержащий 18 С- атомов и 1 двойную связь. Поэтому начальная часть сфингозина входит в гидрофильную «головку» СЛ, а последующая углеводородная цепь служит одним из гидрофобных «хвостов».

     Типичный  представитель СЛ –сфингомелин, где  в качестве азотистого основания  выступает холин.

     в) Гликолипиды (ГЛ, рис.1.3, в) тоже содержат остаток сфингозина. Но в состав гидрофильной «головки» вместо азотистого основания и фосфатной группы входит какой – либо углевод (У).

     По  природе последнего ГЛ подразделяются на две группы: цереброзиды (здесь  У – галактоза или глюкоза) и ганглиозиды (У – олигосахарид, причем обычно разветвленный).

     В качестве же ЖК гликолипиды часто содержат особые кислоты – нервоновую или цереброновую. Так , первая из них содержит 24 С- атома и 1 двойную связь (С24:1).