Аналитическая биохимия: монография: в 3 т. Т. 2


Н.Н. Мушкамбаров





                АНАЛИТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ





В трех томах

Том 2

Монография

3-е издание, стереотипное






Москва Издательство «ФЛИНТА» 2020

УДК 577.01
ББК 28.072
     М93



     Мушкамбаров Н. Н.
М93 Аналитическая биохимия [Электронный ресурс] : монография : в 3 т. / Н.Н. Мушкамбаров. — 3-е изд. стер. — М. : ФЛИНТА, 2020. — 406 с. — Т. 2. — 406 с.

   ISBN 978-5-9765-2292-3

         В книге представлен оригинальный, разработанный автором, курс. Он содержит те же, что классическая биохимия, разделы: «Белки», «Ферменты», «Сложные белкосодержащие структуры», «Нуклеиновые кислоты и синтез белков», «Молекулярно-клеточная биология», «Метаболизм». Но все эти проблемы рассматриваются с позиций математической логики, а также с использованием методов биофизической химии и биофизики. Таким образом, основное содержание книги — это детальный математический анализ (в основном, на достаточно простом уровне) биохимическ их объектов и явлений. При этом многие формулы и почти все количественные оценки получены самим автором.
         Книга адресована студентам (медикам и биологам), готовящимся к научной работе, а также аспирантам, стажерам и всем, кому необходимо научиться анализировать сведения о молекулярной организации жизни.
УДК 577.01
ББК 28.072




ISBN 978-5-9765-2292-3

        © Мушкамбаров Н.Н., 2015
        © Издательство «ФЛИНТА», 2015

-395 - -

Раздел III. СЛОЖНЕЕ БЕЛОКСОДЕРЖАЩИЕ СТРУКТУРЫ




     В этом разделе мы будем рассматривать биологические мембраны, а также характерные структуры мышечной и соединительной тканей.
Глава 11. Биомембраны

11.1. Состав мембран

11.1.1. Состав и расчётная плотность некоторых мембран
   а) А. Как известно, биологические мембраны состоят, главным образом, из липидов и белков.
      Б. Вот состав некоторых мембран.-
         Табл. 11.1

                         Углеводы           Липиды              
                  Белки (связанные Фосфо- Сфинго- ГЛИКО-  Холе-
                        с белками) липиды липиды  ЛИПИДЫ стерин
Внешние мембраны:                                              
  1° Миелиновые   18 %     3 %     32 %     7 %    21 %  19 %  
 оболочки нерв-                                                
   ных волокон                                                 
2° Плазматическая                                              
    мембрана      49 %  8 %        24 %     6 %   2 %    И %   
   эритроцитов                                                 
Внутренние                                                     
мембраны:                                                      
3° Внутренняя     *7Б %     0      22 %      0         0 2 %   
мембрана мито-                                                 
хондрий                                                        
4° Мембрана эндо-                                              
 плазматического  55 %      0      42 %      0         0 3 %   
   ретикулума                                                  

                                                  (ут ъ
х

-396 -

    В. Видно следующее.
         I.          Отношение белок: липиды, в среднем, равно 1:1. но в ряде случаев оно значительно отклоняется от этого уровня.-
            Так, миелиновые оболочки сильно обогащены липидами.
            а внутренние мембраны митохондрий - белками (очевидно, теми, которые участвуют в тканевом дыхании (10.59)).
        II.          Внешние мембраны значительно богаче внутренних по представительству таких компонентов, как углеводы, сФинго- и гликолипиды. холестерин.
     В т.ч. миелиновые оболочки отличаются очень высоким (по сравнению с другими мембранами) содержанием гликолипидов.


    б)⁽,⁾А. Состав определяет многие свойства мембран - и, в частности, физические: плотность и электрическую емкость. Покажем, как рассчитываются эти характеристики.
      Б. Средние плотности белков и липидов нам уже известны:

Лср         г . , Да
Р. - 1. 33 — (798 -------
Б           мл Д 3
v нм

рср Л

Да 0. 93 --- (560 ----
               3 нм

(5.64).

мл

Плотность углеводов примем равной рс₽ . , ₀₀ г/мл у

       В. В п.5.2.4 приводилась формула расчета средней системы из нескольких компонентов по массовым долям (5.65.6). В данном случае ее следует записать так:

1 р . -------------------------------
              " ₜm/ₚcp *       ^/р     ₊ уп/р
Б Б        У У       Л Л


ПЛОТНОСТИ последних

(11.1).

• Г. Подставляя сюда данные из табл. 11.1 (и учитывая, что V"
Л

- общее содержание всех четырех классов липидов), получаем для четырех видов мембран (в том же порядке) значения плотности (г/см»):


0,986;      1,099;       1.206:        1,114      (11.2,а-б).


Д. Как видно, миелиновые оболочки даже несколько легче воды. У остальных мембран плотность выше, чем у воды. Поэтому в водной суспензии они постепенно оседают на дно сосуда. Заметим также.

- 397 -

что для эритроцитов плотность мембраны (1,099 г/мл) совпадает с плотностью всей клетки (см. табл. 4.1).

11.1.2. Электрическая ёмкость мембраны
    а)  Почему понятие ёмкости применимо к мембранам ?
    - Потому, что биомембраны обычно - это ни что иное, как электрические конденсаторы. На их сторонах, как правило, имеются разноимённые заряды; а само вещество мембран (за исключением специальных транспортных каналов) не пропускает ионы.
    б)      А. Прежде чем рассчитывать ёмкость мембран, вспомним исходное физическое определение:

С = q/A*                              (11.3).

   Т.е. ёмкость (измеряемая в фарадах) показывает, какой заряд q должны приобрести обкладки конденсатора, чтобы между ними возникла разность потенциалов в 1 В.
       Б. В физике известны формулы расчёта ёмкости для плоского и сферического конденсаторов:

Е-S                       €
        Спл = --------- ;      С®* = ---------------- (11.4,
fc-fl/B, - 1/Лг)          a-б).

Здесь е - диэлектрическая проницаемость среды между обкладками конденсатора, S - площадь плоских обкладок. Ах - расстояние между ними. Я, и Яг - радиус сферического конденсатора на внутренней и наружной обкладках; коэффициент пропорциональности (в системе СИ)
э
к = 9.011-10 м-В/Кл                   (2.44.6),

      В. Плазматическая мембрана клетки, очевидно,- это сфероподобный конденсатор. Но обычно пользуются удельной ёмкостью биомембран:
Суд • ЧудЖ                        (И-5).

где дуд - заряд, относящийся к единичной поверхности мембраны.
   в)      ⁽,⁾ И нетрудно убедиться, что мы получим одну и ту же формулу расчёта СУд. если будем пользоваться выражением как для плоского, так и для сферического конденсатора.
      А. Так, исходя из формулы (И.4,а), имеем:

- 398 -

ПЛ       пл
Суд = С /S

Е 4ЛК-Дх

(11.6, а-б).

       Б. А исходя из формулы (11,4.6), получаем:


е

4лкЛх

(11.7.а-6

  Сф Сф Сф                                Е               Е
Суд = С /S----------------------= --------------- =  --------
                 к-                  4Xk(Rₗ-R₁) 4ЛКДх
                   к j * г)
(11.7, а-6).
    В данном случае R - средний радиус клетки (точнее, среднее геометрическое: R, Rz = Rⁱ), Дх - толщина мембраны.
    г)  А, Обычное значение параметров мембран;

Дх = 7,5 нм, ем ® 11

(11.8.а-б).

   Обращает на себя внимание весьма низкое значение диэлектрической приницаемости (по сравнению с водой: еНго = 81).


       Б. Причина в том. что липиды гораздо менее полярны. чем молекулы воды.
     Действительно, вода ослабляет внешнее поле в 81 раз из-за того, что диполи воды ориентируются в нем вдоль силовых линий, создавая фактически новое поле, противоположное первому.
     Липиды же. которые входят в состав мембран, почти все являются амфифильными, т.е. кроме гидрофильной "головки" обычно со-

держат и два гидрофобных "хвоста" (11.9). Последние, естественно, внешнее поле не ослабляют.
     Что же касается полярных "головок", то и они, из-за относительно жесткой ориентации молекул в мембра

не ("головки" всегда ориентированы кнаружи, т.е. к водной фазе) не могут свободно располагаться вдоль линий внешнего поля.
     Отсюда и получается столь небольшое значение диэлектрической


проницаемости.


    д)      ⁽,⁾ Подстановка значений (11.8,а-б) в формулу удельной ёмкости дает:
СуД ~ 1.3 мкф/crf                     (11.10).

- 399 -

    ёмкость мембраны используется во многих расчетах (трансмембранного потенциала, тока и т.д.), и мы это увидим в дальнейшем.

11.1.3. ⁽,⁾ Расчёт размеров мембранных липидов: насыщенные углеводородные "хвосты"


    а)      А. Теперь уделим внимание размерам мембранных липидов. Они важны хотя бы потому, что сама толщина мембраны определяется, главным образом, толщиной липидного бислоя. Последнюю же можно рассчитать, обратившись к структуре липидов. Попутно мы получим и ряд других геометрических характеристик мембранных молекул.



Б. Будем иметь в виду в этих расчетах

fl А, о. I-бР)-1Глице|-\-1Ненасышенная ЖК|

строения которых показан на схеме (11.11).- В состав гидрофильной головки входят остатки азотистого основания (А.о. - холин, коламин или серин), фосфатной группы и глицерина, Гидрофобные же "хвос

Р и н

f—l Насыщенная ЖК|

Гидрофильная
"головка”

Гидрофобные

ты" - это два остатка жирных кислот, обычно ненасыщенной (в ₽-по-

ложении глицерина) и насыщенной. Т. е. это длинные цепи, в основном, из фрагментов -СН₂-.
        В. Но, в принципе, сходный план строения имеют также мембранные сфинго- и гликолипиды. Так что нижеследующие расчеты во

многом справедливы и для них.
    б)      А. Одна из ключевых геометрических характеристик - длина Фрагмента -СН₂- точнее, проекция этого фрагмента на ось углеводородной цепи (11.12).
      Б. Ее находим из ACi С₁ ₊ ₁К:


1-сн - = 1с с sin а/2                   (11.13),
2-      1 1*1
     Здесь фигурируют длина связи С-С и угол а между соседними такими связями в углеводородной цепи;

- 400 -

      lc с “ lc-c = 2 гс = 0.154 нм, а ~ 110°                (11.14)
         1 1*1 к
(гс взято из табл. 2.1: угол а практически тот же, что в аминокислотах угол а,; см. п. 1.2.3).
      В. Подстановка дает:


                        1.сн . « 0.126 нм                    (11.15).
                            2
    в)      Пусть один из "хвостов" - это остаток пальмитиновой кисло-ш. С₁₅Н₃₁СООН (11.16).
А. в твердом состоянии он полностью вытянут, поэтому длина его гидрофобной части (начинающейся от С₂) равна • об 1И = Lj + Ьц =


“ 1-ен - * Ь₂ 2                  (11.17)

Б. "добавку"

Из несложных расчетов (которые мы опускаем) можно найти за счет концевой метильной группы:


Ь₂ » 0,208 нм


(11.18).

        В. Следовательно, длина гидрофобной части "хвоста" и ширина ГИДРОФОбНОЙ ЧаСТИ бИСЛОЯ (11.19) в твердом состоянии равны:
       «об
      1П ® 1,972 нм ~ 2.0 нм


        •об фоб
       hₛ = 2-1п      = 4.0 нм


(11.20,а-б).

                       «об
   Заметим: параметр h{ отличается от общей ширины бислоя тем. что не включает длину липидных "головок". Длину же "головок" мы оценим несколько позже.
    г)      А какова площадь проекции "хвоста" на поперечную плоскость, т. е. на поверхность мембраны ?

-401 -

А. Здесь надо рассматривать чертёж (11.21). При расчёте считаем, что во фрагментах -СН₂- связи С-Н перпендикулярны оси углеводородной цепи и образуют с плоскостью этой цепи угол ₽ = 60°.
        Б. Тогда, например, поперечный размер проекции равен


dj = 2(lc_H stn ₽ + гн) = 0,425 нм (11.22) в
(1С-н ” Длина связи С-Н. гн - ван-дер-ваальсов радиус атома Н; см. табл. 2.1-2. И).
        В. Аналогично рассчитываем продольный размер:

В
               1Ц = 2(Iq-ц • cos Р + Гц) + If к                 (11.23,а),
                                               i*i

где, согласно чертежу (11.12),


                       к “ tc-c'COS а/2                   (11.23,6),
                    i*i
     Отсюда
1ц » 0.436 нм                      (И.23,в)

(т.е. размеры сЦ и 1ц близки друг к другу).
       Г. Считая, что проекция "хвоста" на поверхность мембраны -это эллипс с осями сЦ и 1ц, получаем оценку её площади:


S„ₐc = л-1ц-dj = 0.145 нм²
                            4


(11.24).

          11.1.4.          ‘’ Ненасыщенные углеводородные "хвосты" и фосфолипиды в целом Положение значительно меняется, если кислота является ненасыщенной-
     а)     А. Пусть, например, это олеиновая кислота, С₁₇Н₃₃СООН; она имеет одну двойную связь в положении 9-10.
      Углы между связями С-С при двойной связи примем равными К = = 125°.

- 402 -

       Б. В месте двойной связи углеводородная цепь делает изгиб (11.25). Последовательно используя известные нам углы(а и К), можно найти (см. зад. И. 1):

     визг = 40°     (11.26)

   б)      В связи с этим, меняются обе проекции "хвоста".
      А. Проекция на продольную ось (1*л ) оказы

вается меньше, чем у насыщенной кислоты с тем же числом С-атомов (т.е. стеариновой кислоты):
             Фоб
1₀Л “ Ц + 1₂ ⁺ ¹з ⁺ Ч ° 4-941 НМ                (11.27. а)
(расчет не приводим),
               фоб фоб
              1СТ = 1п + 2 1_сн . - 2,224 нм                (11.27,6),
2
    Но примечательно, что эта проекция практически совпадает по длине с проекцией пальмитиновой кислоты, поэтому не случайно, что в фосфолипидах часто используется данная комбинация - пальмитиновой и олеиновой кислот.
     Б. Проекция же на ПЛОСКОСТЬ мембраны оказывается гораздо больше за счет увеличения ее "высоты":


                 = 1,091 нм (ср. с \ ~ 0,436 нм) (11.28. а)

(расчёт вновь не приводим),
Зол = ХМ « 0,364 Hrf                   (11.28,6),
                             4
   в)      Тогда площадь поперечного сечения фосфолипидной молекулы (в гидрофобной ее части) равна


5»об = 5и₁с + 5₀Л = 0,51                   (11.29),


   Это очень близко к литературным данным (0,52 нм²).