Что такое жизнь с точки зрения химика Вода.Биологические мембраны. Липидный бислой Структура и функция белка Обмен веществом Преобразование энергии Контрольная 1 (помни об автомате и премии Апто-Фарма) Разбор контрольной 1 Цикл I «Химия живого»

Текучесть клеточной мембраны 10.1

Проникновение липидов и ПАВ в бислой

Разрушение мембраны детергентом (ПАВ) 10.3

Биологическая мембрана: липидный бислой + белки

Липиды и белки клеточных мембран (% по весу) Липиды Белки ФосфолипидыСтерины (холестерин) Человек (миелиновая оболочка) Кукуруза (лист) Дрожжи7452 Бактерии (E. coli) 2575

Подвижность липидов и белков в мембране

Подвижность мембранных белков 10.6 Латеральная диффузия

Белки обеспечивают транспорт веществ через мембрану 2 типа Пассивный транспорт – движение по градиенту концентрации (диффузия) Активный транспорт – движение против градиента концентрации

Энергетика трансмембранного переноса

Гидрофобные и гидрофильные участки трансмембранного белка

Трансмембранные белки Трансмембранный домен альфа-спирали упаковка бок-о-бок

α-спираль водородная связь полипептидной цепи

ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ диффузия по градиенту концентрации

Аквапорин – транспорт воды (Питер Эгр) Аквапорин: 10 9 молекул Н 2 О/сек (ΔG < 15 kJ/mol) Ферменты: число оборотов 1 – 10 4 молекул/сек (максимум - 4 х 10 7 молекул/сек, каталаза) Осморегуляция и болезни

АКВАПОРИН Preston GM, Carroll TP, Guggino WB, Agre P

Как аквапорин разрешает транспорт воды и исключает транспорт протона? Координация Н-связи Растворимость Электростатический барьер

Как аквапорин разрешает транспорт воды и исключает транспорт протона?

К + - канал

Калиевый канал

К + в калиевом канале Краун - эфиры

Антибиотики – вещества, которые токсичны для микроорганизмов. Обычно являются продуктом метаболизма особых микроорганизмов или растений.

Антибиотики ионофоры – мембранные поры для пассивного транспорта ионов («дырки» для ионов)

Антибиотик валиномицин – пептидный ионофор связывает К +

Валиномицин, ИБХ РАН

Антибиотик грамицидин – пептидный ионофор для H +, M +, NH 4 + Trp (W)

Молекулярные болезни водно - солевого обмена

АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ Энергозависимый перенос против градиента концентрации

Живые организмы создают и поддерживают свою сложную структуру/систему используя энергию Солнца (прямо или косвенно за счет питательных веществ)

ТрадиционныйПревращение Хим Биология энергии света в энергию фосфоангидридной химической связи АТР I. энергия кванта света II. энергия разности потенциалов на мембране III. энергия фосфоангидридной связи ATP классический фотосинтез

-спирали бактериородопсина в мембране

Квант света изомеризует ретиналь

Ретиналь в бактерио- родопсине

Бактерио- родопсин

Бактериородопсин

1. Исходная структура

2. Фотоизомеризация ретиналя и депротонирование основания Шиффа

3. Протонирование основания Шиффа

4. Протонирование карбоксильной группы 1 Депротонирование карбоксильной группы 2

1. Исходная структура

Транспорт протона без перемещения Н и О Механизм Гротхуса C.J.T.V. Grotthuss, Sur la decomposition de l'eau et des corps qu'elletient en dissolution a l'aide de l'electricite galvanique (Theory of decomposition of liquids by electric currents), Ann. Chim. 58 (1806) 54–74 (Атомная теория) J. Dalton, A New System of Chemical Philosophy, Part I, R. Bickerstaff, London, 1808 Что лимитирует скорость всего процесса: электростатика, гидратация или вращение?

Превращение энергии и вещества свет Н+ ATP 70 мВ/7-8 нм 100 кВ/см (!) мсек Энергия фосфоангидридной химической связи Энергия фотона Электрическая энергия (батарейка/ конденсатор) Гидролиз ангидрида 10 Kcal/mol

Термодинамика живого Ленинджер и Пригожин Илья Р. Пригожин

Протонный насос и синтез АТР Что стоит за названием «энергетические фабрики клетки» археи

1.Биоэнергетика изучает превращение энергии в клетке (биол.) Термодинамика количественно описывает химические процессы (хим.) 2. АТР, аденозинтрифосфат, универсальная энергетическая валюта, макроэрг (биол.) АТР - активированное химическое соединение (хим.) (универсальный реакционный модуль) 3. Фотосинтез, электрохимический потенциал и синтез АТР 4. Транспорт протонов и синтез АТР - Бактериородопсин как протонный насос - АТР-синтетаза как молекулярная машина

Аденозин-5-трифосфат, АТР синтез АТР/день = вес тела человека

Природа «не любит» реакции прямого синтеза: А + В = А-В, поскольку они энергетически затратны. Природа использует обменные реакции: А-Х + В-Y = А-В + Х-Y, поскольку они не требуют энергии

Энергетический профиль процесса и реакции

ΔG для реакций гидролиза kcal/mol kJ/mol Амиды и пептиды Gln GlyGly Эфиры Этилацетат- 4, Ангидриды Р-O-Р- 4, Условная граница (- 25) АТР до АDР и Pi ATP до АМР и РРi- 10, (в клетке - 12 – 15) Уксусный ангидрид - 21,

Изменения стандартной энергии двух реакций аддитивны kJ/mol ROH + p = ROp + H 2 O HOH + pppA = p + ppA ROH + pppA = ROp + ppA (- 4.0 kcal/mol) АТР-зависимые реакции расходуют энергию гидролиза АТР (биол.) Реакционно способный АТР легко вступает в реакции замещения (хим.) Универсальный химический реакционный модуль