Регуляция деятельности сердца.

Сердце регулируется многогранно:

• внутриклеточная регуляция. Способность кардиомиоцитов при выполнении ими специфической сократительной функции синтезировать различные белки. Особенность кардиомиоцитов заключается в цикличности их обменных процессов, связанных с ритмом сердечной деятельности. Наиболее быстрый распад осуществляется в момент систолы. Ресинтез и восстановления уровня этих веществ успевает полностью осуществиться за время диастолы. Чем сильнее сердце работает, тем активнее идет синтез белка. Кардиомиоциты способны избирательно адсорбировать из циркулирующей крови и накапливать в цитоплазме вещества, поддерживающие и регулирующие их биоэнергетику.

• межклеточная регуляция. Связана с наличием вставочных дисков – нексусов, обеспечивающих транспорт необходимых веществ, соединение миофибрилл, переход возбуждения с клетки на клетку. Между миоцитами имеются соединительнотканные волокна, они играют важную роль, являясь поставщиками ряда высокомолекулярных веществ. Регуляция межклеточного метаболизма локализована на креаторных связях (связь кардиомиоцитов с соединительнотканными волокнами).

• интрокардиальная регуляция. Собственная нервная регуляция осуществляется метасимпатической нервной системой, нейроны которой располагаются в интрамуральных ганглиях сердца. Она обладает полным набором функциональных элементов, необходимых для самостоятельной рефлекторной деятельности. Внутрисердечные рефлексы увеличивают количество крови в желудочке. Расширяют стенку аорты, предупреждая ее разрыв. Снижается интенсивность сокращения (особенно в левом желудочке).

• экстрокардиальная регуляция. Обеспечивается симпатической и парасимпатической НС. Цион впервые выделил симпатические нервы, которые подходят к сердцу. Он назвал их стимулирующие (1867). Парасимпатические нервы изучали братья Вебер (1845). Было показано, что блуждающий нерв оказывает отрицательные эффекты: инотропный (снижает силу сердечных сокращений); хронотропный (снижает частоту сердечных сокращений); батмотропный (снижает возбудимость); дромотропный (снижает скорость проведения возбуждения). Преобладающий тонус имеет парасимпатическая НС. Все выполняется на дуге рефлекса. Рефлекторная регуляция идет из центров. В области продолговатого мозга на дне 4 желудочка имеется сердечно-сосудистый центр. Оказывают влияние гипоталамус, мозжечок, моторные зоны коры больших полушарий.

• гуморальная регуляция. Осуществляется биологически активными веществами. Адреналин выделяется в кровь при эмоциональных нагрузках и др. Его взаимодействие с бета-адренорецепторами кардиомиоцитов приводит к активации аденилатциклазы, который ускоряет образование циклического АМФ (превращает неактивную фосфорилазу в активную). Адреналин повышает также проницаемость клеточных мембран для ионов Са²⁺. Са²⁺ стимулирует работу сердца, усиливает сердечные сокращения. К⁺ ингибирует, тормозит работу сердца. Гормоны щитовидной железы, например тироксин, в зависимости от дозы может оказывать + или – влияние, опосредованное влияние (увеличивает частоту сердечных сокращение). Кортикостероиды оказывают опосредованное влияние, усиливают работу сердца. Серотонин увеличивает силу сокращений миокарда.

трансляция. Процесс взаимодействия мРНК и тРНК, обеспечивающий трансляцию информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, осуществляется на рибосомах. Последние представляют собой сложные комплексы рРНК и разнообразных белков, в которых первые образуют каркас. Рибосомные РНК являются не только структурным компонентом рибосом, но и обеспечивают связывание их с определенной нуклеотидной последовательностью мРНК. Этим устанавливаются начало и рамка считывания при образовании пептидной цепи. Кроме того, они обеспечивают взаимодействие рибосомы и тРНК. Многочисленные белки, входящие в состав рибосом наряду с рРНК, выполняют как структурную, так и ферментативную роль.

Рибосомы про- и эукариот очень сходны по структуре и функциям. Они состоят из двух субчастиц: большой и малой. У эукариот малая субчастица образована одной молекулой рРНК и 33 молекулами разных белков. Большая субчастица объединяет три молекулы рРНК и около 40 белков. Прокариотические рибосомы и рибосомы митохондрий и пластид содержат меньше компонентов.

В рибосомах имеется две бороздки. Одна из них удерживает растущую полипептидную цепь, другая — мРНК. Кроме того, в рибосомах выделяют два участка, связывающих тРНК. В аминоацильном, А-участке размещается аминоацил-тРНК, несущая определенную аминокислоту. В пептидильном, П-участке располагается обычно тРНК, которая нагружена цепочкой аминокислот, соединенных пептидными связями. Образование А- и П-участков обеспечивается обеими субчастицами рибосомы.

В каждый момент рибосома экранирует сегмент мРНК протяженностью около 30 нуклеотидов. При этом обеспечивается взаимодействие только двух тРНК с двумя расположенными рядом кодонами мРНК

Трансляция информации на «язык» аминокислот выражается в постепенном наращивании пептидной цепи в соответствии с инструкцией, заключенной в мРНК. Этот процесс протекает на рибосомах, которые обеспечивают последовательность расшифровки информации с помощью тРНК. В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию синтеза пептидной цепи.

Фаза инициации, или начало синтеза пептида, заключается в объединении двух находящихся до этого порознь в цитоплазме субчастиц рибосомы на определенном участке мРНК и присоединении к ней первой аминоацил-тРНК. Этим задается также рамка считывания информации, заключенной в мРНК.

В молекуле любой мРНК вблизи ее 5'-конца имеется участок, комплементарный рРНК малой субчастицы рибосомы и специфически узнаваемый ею. Рядом с ним располагается инициирующий стартовый кодон АУТ, шифрующий аминокислоту метионин. Малая субчастица рибосомы соединяется с мРНК таким образом, что стартовый кодон АУТ располагается в области, соответствующей П-участку. При этом только инициирующая тРНК, несущая метионин, способна занять место в недостроенном П-участке малой субчастицы и комплементарно соединиться со стартовым кодоном. После описанного события происходит объединение большой и малой субчастиц рибосомы с образованием ее пептидильного и аминоацильного участков (рис. 3.32).

К концу фазы инициации П-участок занят аминоацил-тРНК, связанной с метионином, тогда как в А-участке рибосомы располагается следующий за стартовым кодон.

Описанные процессы инициации трансляции катализируются особыми белками — факторами инициации, которые подвижно связаны с малой субчастицей рибосомы. По завершении фазы инициации и образования комплекса рибосома — мРНК — инициирующая аминоацил-тРНК эти факторы отделяются от рибосомы.

Фаза элонгации, или удлинения пептида, включает в себя все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. Она представляет собой циклически повторяющиеся события, при которых происходит специфическое узнавание аминоацил-тРНК очередного кодона, находящегося в А-участке, комплементарное взаимодействие между антикодоном и кодоном.

Благодаря особенностям трехмерной организации тРНК при соединении ее антикодона с кодоном мРНК. транспортируемая ею аминокислота располагается в А-участке, поблизости от ранее включенной аминокислоты, находящейся в П-участке. Между двумя аминокислотами образуется пептидная связь, катализуемая особыми белками, входящими в состав рибосомы. В результате предыдущая аминокислота теряет связь со своей тРНК и присоединяется к аминоацил-тРНК, расположенной в А-участке. Находящаяся в этот момент в П-участке тРНК высвобождается и уходит в цитоплазму (рис. 3.33).

Перемещение тРНК, нагруженной пептидной цепочкой, из А-участка в П-участок сопровождается продвижением рибосомы по мРНК на шаг, соответствующий одному кодону. Теперь следующий кодон приходит в контакт с А-участком, где он будет специфически «опознан» соответствующей аминоацил-тРНК, которая разместит здесь свою аминокислоту. Такая последовательность событий повторяется до тех пор, пока в А-участок рибосомы не поступит кодон-терминатор, для которого не существует соответствующей тРНК.

Сборка пептидной цепи осуществляется с достаточно большой скоростью, зависящей от температуры. У бактерий при 37 °С она выражается в добавлении к подипептиду от 12 до 17 аминокислот в 1 с. В эукариотических клетках эта скорость ниже и выражается в добавлении двух аминокислот в 1 с.

Фаза терминации, или завершения синтеза полипептида, связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ или У ГА), когда тот входит в зону А-участка рибосомы. При этом к последней аминокислоте в пептидной цепи присоединяется вода, и ее карбоксильный конец отделяется от тРНК. В результате завершенная пептидная цепь теряет связь с рибосомой, которая распадается на две субчастицы (рис. 3.34).

Фотосинтез – единственный процесс на Земле, идущий в грандиозных масштабах и связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей. Эта космическая энергия, запасенная зелеными растениями, составляет основу для жизнедеятельности всех других гетеротрофных организмов на Земле от бактерий до человека. Выделяют пять аспектов космической и планетарной роли растений:

1. Накопление органической массы. В процессе фотосинтеза наземные растения образуют 100-172 млрд. т, а растения морей и океанов – 60-70 млрд. т биомассы в год (в пересчете на сухое вещество). Общая масса растений на Земле в настоящее время составляет 2402,7 млрд. т, причем 90% этой сухой массы приходится на целлюлозу. На долю наземных растений приходится 2402,5 млрд. т, а на растения гидросферы - всего 0,2 млрд. т (из-за недостатка света). Общая масса животных и микроорганизмов на Земле – 23 млрд. т, что составляет около 1 % от растительной биомассы. Из этого количества 20 млрд. т приходится на обитателей суши, а 3 млрд. т – на животных и микроорганизмы гидросферы.

За время существования жизни на Земле органические остатки растений и животных накапливались и модифицировались. На суше эти органические вещества представлены в виде подстилки, гумуса и торфа, из которых при определенных условиях в толще литосферы формировался уголь. В морях и океанах органические остатки (главным образом животного происхождения) оседали на дно и входили в состав осадочных пород. При опускании в более глубокие области литосферы из этих остатков под действием микроорганизмов, повышенных температур и давления образовывались газ и нефть. Масса органических веществ подстилки, торфа и гумуса оценивается в 194, 220 и 2500 млрд. т соответственно. Нефть и газ составляют 10000-12000 млрд. т. Содержание органических веществ в осадочных породах достигает 20000000 млрд. т (по углероду).

Особенно интенсивное накопление мертвых органических остатков происходило 300 млн. лет назад в палеозойскую эру. Запасы древесины, а в последние 200 лет угля, нефти и газа используются человеком для получения энергии, необходимой в быту, промышленности и сельском хозяйстве.

2. Обеспечение постоянства содержания СО₂ в атмосфере. Образование органических веществ гумуса, осадочных пород и горючих ископаемых выводило значительные количества СО₂ из круговорота углерода. В атмосфере Земли СО₂ становилось все меньше и в настоящее время он составляет только 0,03% (по объему), или (в абсолютных значениях) 711 млрд. т в пересчете на углерод.

В кайнозойской эре содержание диоксида углерода в атмосфере стабилизировалось и испытывало лишь суточные, сезонные и более длительные геохимические колебания. Эта стабилизация достигается сбалансированным связыванием и освобождением СО₂, осуществляемых в глобальном масштабе. Связывание СО₂ в ходе фотосинтеза и образование карбонатов компенсируется выделением СО₂ за Счет других процессов. Ежегодное поступление СО₂ в атмосферу в пересчете на углерод (в млрд. т) обусловлено: дыханием растений – 10, дыханием и брожением микроорганизмов – 25, дыханием животных и человека – 1,6, производственной деятельностью людей – 5, геохимическими процессами – 0,05. При отсутствии этого поступления весь СО₂ атмосферы был бы связан в ходе фотосинтеза за 6-7 лет. Мощным резервом диоксида углерода является Мировой океан, в водах которого растворено в 60 раз больше СО₂, чем находится в атмосфере. Фотосинтез, с одной стороны, дыхание организмов и карбонатная система океана, с другой, поддерживают относительно постоянный уровень СО₂ в атмосфере.

Однако за последние десятилетия из-за все более возрастающего сжигания человеком горючих ископаемых, а также из-за вырубки лесов и разложения гумуса содержание СО₂ в атмосфере начало увеличиваться примерно на 0,23% в год. Это обстоятельство может иметь далеко идущие последствия в связи с тем, что концентрация СО₂ оказывает влияние на тепловой режим Земли.

3. Парниковый эффект. Поверхность Земли получает теплоту главным образом от Солнца. Часть этой теплоты поступает обратно в космос в виде инфракрасных лучей. Диоксид углерода в атмосфере, а также вода поглощают инфракрасное излучение и таким образом сохраняют значительное количество теплоты на Земле (парниковый эффект). Микроорганизмы и растения в процессе дыхания или брожения поставляют 85 % общего количества СО₂, поступающего ежегодно в атмосферу, и вследствие этого оказывают влияние на тепловой режим планеты.

Тенденция к повышению содержания СО₂ в атмосфере из-за сжигания огромных количеств нефти, газа и из-за других причин, указанных выше, может способствовать увеличению средней температуры на поверхности Земли, что приведет к ускорению таяния ледников в горах и на полюсах и затоплению прибрежных зон. Возможно, однако, что повышение концентрации СО₂ будет способствовать усилению фотосинтеза растений, что устранит избыточное накопление диоксида углерода. Известно, что изменение концентрации СО₂ в биосфере выступает как элемент обратной связи.

4. Накопление кислорода в атмосфере. Первоначально в атмосфере Земли О₂ присутствовал в следовых количествах. В настоящее время он составляет 21 % по объему воздуха. Появление и накопление О₂ в атмосфере связано с жизнедеятельностью зеленых растений. Ежегодно в ходе фотосинтеза кислород поступает в атмосферу в количестве 70-120 млрд. т. Этот кислород необходим для дыхания всех гетеротрофов – бактерий, грибов, животных и человека, а также зеленых растений в ночное время.

Особое значение в поддержании высокой концентрации О₂ в атмосфере имеют леса. Подсчитано, что 1 га леса весной и летом за час выделяет О₂ в количестве, достаточном для дыхания 200 человек.

5. Озоновый экран. Еще одно важнейшее следствие выделения растениями кислорода – образование озонового экрана в верхних слоях атмосферы на высоте около 25 км. Озон (О₃) образуется в результате фотодиссоциации молекул О₂ под действием солнечной радиации. Озон задерживает большую часть ультрафиолетовых лучей (240-290 нм), губительно действующих на все живое. Возможность частичного разрушения озонового экрана из-за загрязнения атмосферы промышленными и другими отходами – серьезная проблема охраны биосферы.

Белки выполняют множество самых разнообразных функций, характерных

для живых организмов, с некоторыми из которых мы познакомимся более

подробно при дальнейшем изучении курса. Ниже рассматриваются главные

и в некотором смысле уникальные биологические функции белков, несвой-

ственные или лишь частично присущие другим классам биополимеров.

Каталитическая функция. К 1995 г. было идентифицировано более

3400 ферментов. Большинство известных в настоящее время ферментов,

называемых биологическими катализаторами, является белками. Эта функ-

ция белков, хотя и не оказалась уникальной, определяет скорость химиче-

ских реакций в биологических системах *.

Транспортная функция. Дыхательная функция крови, в частности перенос

кислорода, осуществляется молекулами гемоглобина – белка эритроцитов.

В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови.

Ряд других сывороточных белков образует комплексы с жирами, медью,

железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая

их доставку в соответствующие органы-мишени.

Защитная функция. Основную функцию защиты в организме выполняет

иммунная система, которая обеспечивает синтез специфических защитных

белков-антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов,

вирусов или чужеродных белков. Высокая специфичность взаимодействия

антител с антигенами (чужеродными веществами) по типу белок-белковое

взаимодействие способствует узнаванию и нейтрализации биологического

действия антигенов. Защитная функция белков проявляется и в способности

ряда белков плазмы крови, в частности фибриногена, к свертыванию.

В результате свертывания фибриногена образуется сгусток крови, предохра-

няющий от потери крови при ранениях.

Сократительная функция. В акте мышечного сокращения и расслабления

участвует множество белковых веществ. Однако главную роль в этих

жизненно важных процессах играют актин и миозин – специфические белки

мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным

белкам, но и белкам цитоскелета, что обеспечивает тончайшие процессы

жизнедеятельности клеток (расхождение хромосом в процессе митоза).

Структурная функция. Белки, выполняющие структурную (опорную)

функцию, занимают по количеству первое место среди других белков тела

человека. Среди них важнейшую роль играют фибриллярные белки, в част-

ности коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, коже,

эластин в сосудистой стенке и др. Большое значение имеют комплексы

белков с углеводами в формировании ряда секретов: мукоидов, муцина

и т.д. В комплексе с липидами (в частности, с фосфолипидами) белки

участвуют в образовании биомембран клеток.

Гормональная функция. Обмен веществ в организме регулируется разно-

образными механизмами. В этой регуляции важное место занимают гормо-

ны, синтезируемые не только в железах внутренней секреции, но и во

многих других клетках организма (см. далее). Ряд гормонов представлен

белками или полипептидами, например гормоны гипофиза, поджелудочной

железы и др. Некоторые гормоны являются производными аминокислот.

Питательная (резервная) функция. Эту функцию выполняют так назы-

ваемые резервные белки, являющиеся источниками питания для плода,

например белки яйца (овальбумины). Основной белок молока (казеин)

также выполняет главным образом питательную функцию. Ряд других

белков используется в организме в качестве источника аминокислот, кото-

рые в свою очередь являются предшественниками биологически активных

веществ, регулирующих процессы метаболизма.

Можно назвать еще некоторые другие жизненно важные функции бел-

ков. Это, в частности, экспрессия генетической информации, генерирование

и передача нервных импульсов, способность поддерживать онкотическое

* Получены экспериментальные доказательства, что, помимо белков, ферментативной,

каталитической активностью наделен и ряд других макромолекул, в частности РНК (названы

рибозимами) и моно- и поликлональные антитела (абзимы) – см. главу «Ферменты».

давление в клетках и крови, буферные свойства, поддерживающие физио-

логическое значение рН внутренней среды, и др.

Таким образом, из этого далеко не полного перечня основных функций

белков видно, что указанным биополимерам принадлежит исключительная

и разносторонняя роль в живом организме. Если попытаться выделить

главное, решающее свойство, которое обеспечивает многогранность биоло-

гических функций белков, то следовало бы назвать способность белков

строго избирательно, специфически соединяться с широким кругом разно-

образных веществ. В частности, эта высокая специфичность белков (срод-

ство) обеспечивает взаимодействие ферментов с субстратами, антител

с антигенами, транспортных белков крови с переносимыми молекулами

других веществ и т.д. Это взаимодействие основано на принципе биоспе-

цифического узнавания, завершающегося связыванием фермента с соответ-

ствующей молекулой субстрата, что содействует протеканию химической

реакции. Высокой специфичностью действия наделены также белки, кото-

рые участвуют в таких процессах, как дифференцировка и деление клеток,

развитие живых организмов, определяя их биологическую индивидуальность.

,Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные органические соединения, полинуклеотиды, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмов. 1869 – Фридрих Мишер открыл НК (“нуклеус” – ядро)

Отличие ДНК от РНК:- в состав ДНК входит дезоксирибоза, а в РНК – рибоза

- ДНК – 2х цепочечная молекула- отличаются 1 азотистым основанием (ДНК – Тимин, РНК – урацил)- РНК гетерогенный класс органики, располагающиеся везде в клетке

- разные функции Функции РНК:1) наследственное вещество ретровирусов

2) энзиматическая3) быстрое хранение инфомации в виде информосом4) участие в биосинтезе белка Функции ДНК:1) информационно-кибернетическаяобеспечивается генетическим кодом

2) передача генетической информацииобеспечивается репликацией3) реализация генетической информацииобеспечивается транскрипцией и трансляциейПреемственность в ряду поколений признаков обеспечивается нуклеиновыми кислотами.

Первичная структура. Мононуклеотиды связываются в полимеры – природные или синтетические нуклеиновые кислоты (НК) – путем образования сложноэфирных связей между 3^’-углеродом пентозы одного мононуклеотида, фосфатом и 5^’-углеродом пентозы другого мононуклеотида. Нуклеотиды состоят из пуриновых (А,Г) и пиримидиновых (Ц,Т,У) оснований, пятичленного сахара рибозы и ортофосфата. Азотистые основания соединены с сахаром N-гликозидными связями.

РНК обычно состоят из одной полимерной цепи, а ДНК в большинстве случаев представляют собой структуру из двух антипараллельных цепей, связанных нековалентно. Правила Чаргаффа для двухцепочечных ДНК:

1.Сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований.

2.Мольная доля А равна Мольной доле Т.

3.Мольная доля Г равна Мольной доле Ц.

4.Количество А+Ц=Г+Т.

5.ДНК всех организмов отличается по соотношению нуклеотидов.

К=Г+Ц/А+Т (К – коэффициент специфичности постоянен для каждого вида).

Вторичная структура. Общепринята модель Уотсона и Крика (1953) согласно этой модели ДНК имеет вид двойной правозакрученной спирали (хеликс) и состоит из противоположно направленных полинуклеотидных цепей.

Пять принципов строения:

1. Сахарнофосфатный скелет с внешней стороны спирали. Малая бороздка – 1,2 нм, большая бороздка – 2,2 нм, шаг спирали – 3,4 нм.

2. Комплиментарность (дополнительность). Взаимодействующие основания являются комплиментарными.

3. Антипараллельность. Цепи противоположно направлены.

4. ДНК – полианион. Поскольку в водной среде фосфатные остатки диссоциируют, то ДНК вдоль всей длины молекулы заряжена отрицательно.

5. Стабильность двойной спирали определяется стекинг-взаимодействием (слабые кулоновские силы между азотистыми основаниями вдоль цепи). Образование водородных связей между основаниями – основная причина объединения цепей полинуклеотидов.

Двойная спираль ДНК существует в разных формах: В, А, С, Z, SBS, H.

РНК существует в виде нескольких форм, различающихся по биологической функции, строению и свойствам.

1.рРНК – рибосомная РНК составляет 80-90 % всей клеточной РНК.

2.пре-рРНК – молекулы-предшественники рРНК.

3.тРНК – транспортная РНК.

4.пре-тРНК – молекулы-предшественники тРНК.

5.мРНК –матричная, или информационная РНК

6.гяРНК – гетерогенная ядерная РНК.

7.мяРНК – малая ядерная РНК.

8.Вирусная РНК.

Третичная структура. У прокариот два вида третичной структуры ДНК: кольцевые молекулы и линейные молекулы. Линейные молекулы представлены суперспиралью.

У эукариот третичная структура – комплекс ДНК и гистонов.

Третичная структура тРНК – глобула, вытянутая в форме буквы Г.

Дата добавления: 2015-07-19