Готовые билеты в PDF-формате (1123293), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Увеличение энтропии означает падение степени упорядоченности иорганизованности в системе, ее хаотизацию.Нас будет интересовать связь между термодинамическими параметрами ивеличиной максимально полезной работы δA’max , которая характеризует внутренниенеобратимые химические превращения в системе. Из выражения для первого законаопределитьприпереходе из одного состояния в другое однозначно нельзя, так как величинаδQзависит от пути перехода. Однако, удается найти особые характеристические функции,изменение которых при определенных условиях равно δA’maxВбиохимическихпроцессахнаибольшее значение имеют свободная энергия FF= U-TSи полный термодинамический потенциал G, или энергия Гиббса,G =U+pV-TS.Если процессы идут при постоянныхТ, V=const, тоδA’max≤d(U-TS) = TdS-dU = - (dF)T,v,а приT y p = constδA’max≤-d(U+pV-TS)=TdS-dU-PdV=-(dG)T,P, где знак неравенства соответствует необратимымпроцессам.Таким образом, совершение полезной работы δA’max, сопровождается убыльюсвободной энергии и энергии Гиббса в необратимых процессах.
Заметим, что обычно вбиохимических превращениях изменением объема системы можно пренебречь, dV≈0 ипоэтому величины dFи dGпрактически совпадают. Классическая термодинамика позволяетвычислять энергетические эффекты и соответственно определять направление и воможностьсопряжения различных биологических процессов. Зная константу равновесия (К) какой-либохимической реакции, можно найти значение ∆Go, которое соответствует убыли ∆Gприпереходе от начального неравновесного состояния смеси, где все концентрации были равныединице, до конечного равновесного состояния∆Go = -RTlnK,где R-газовая постоянная (1,987кал/К/моль или 8,314 Дж/К/моль).
Например, в реакции ( глюкозо-1-фосфат ↔глюкозо-6фосфат ) константа равновесияК = 17, откуда следует, что ∆Go= - 1700 кал/моль < 0.Отрицательная величина ∆Go< 0 показывает, что эта реакция в стандартных условияхпротекает самопроизвольно и сильно сдвинута вправо, на что указывает и большаявеличина К = 17 »1.Аналогично гидролиз АТФ, протекающий с отщеплением остаткафосфорной кислоты и переносом его на воду (аденозин - Ф ~ Ф + Н2О ↔аденозин Ф ~ Ф +Н3РО4) , характеризуется отрицательной величиной ∆Go= 7 ккал/моль.
Освобождениеотносительно большой порции энергии при гидролизе АТФ и делает связь Ф~Ф в АТФмакроэргической по сравнению с другими реакциями переноса групп.Сравнивая значения∆Goдля разных процессов, можно определить, возможно ли их сопряжение, когда одинпроцесс (сопряженный) идет с увеличением ∆Goза счёт уменьшения ∆Goв другом процессе(сопрягающем).
Так, окисление молекулы глюкозы в процессе дыхания сопровождаетсяуменьшением ∆Go = - 678 ккал/моль. Это равно увеличению ∆Goв процесс фотосинтеза приобразовании молекулы глюкозы из воды и СО2. Таким образом, с термодинамической точкизрения сопряжение фотосинтеза и дыхания является возможным. Этот же подходприменяется, когда ставится задача определить возможность сопряжения и других болеепростых процессов. Образование ацетилфосфата в реакции фосфорилирования(ацетил КОА+ фосфат↔ацетилфосфат + КОА)проходит с увеличением ∆Go= 3 ккал/моль > 0 и может бытьлегко обеспечено при сопряжении с гидролизом АТФ или с реакцией (глюкозо-1-фосфат +Н2О ↔глюкоза + фосфат),где ∆Go= - 4,8 ккал/молБилет № 61.
Структурная организация биологическоймембраны. Биологическую мембрану можнорассматривать как электрический конденсатор (рис.1.1), в котором пластинами являются электролитынаружного и внутреннего растворов (внеклеточного ицитоплазмы) с погруженными в нихголовамилипидных молекул. Проводники разделеныдиэлектрическимслоем, образованным неполярнойчастью липидных молекул -двойным слоем иххвостов. Липиды -диэлектрики с диэлектрическойпроницаемостью е~ 2. Емкость плоскогоконденсатора C= , где электрическая постояннаяео= 8,85 • 1012 Ф/м, d - расстояние междупластинами конденсатора, S - площадь пластины.Отсюда можно найти расстояние между пластинамиконденсатора, соответствующее в нашем случаетолщине липидной части мембраны≈3,5 нм.
Это какраз соответствует по порядку величины толщиненеполярной части бимолекулярного слоя липидов,сложенных определенным образом.Современное представление о структуре мембраны. Совокупность результатов,полученных физическими и химическими методами исследования, дала возможностьпредложить новую жидкостно-мозаичную модель строения биологических мембран.Структурную основу биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов,инкрустированный белками. Различают поверхностные (или периферические) иинтегральные белки. Липиды находятся при физиологических условиях в жидкомагрегатном состоянии. Это позволяет сравнить мембрану с фосфолипидным морем, покоторому плавают белковые "айсберги".
Одним из подтверждений жидкостно-мозаичноймодели является и тот факт, что в разных мембранах соотношение между содержаниембелков и фосфолипидов сильно варьирует: в миелиновой мембране белков в 2,5 разаменьше, чем липидов, а в эритроцитах, напротив, белков в 2,5 раза больше, чем липидов.При этом, согласно современной модели, соотношение количества белков и липидов во всехмембранах должно быть примерно одинаково.
Тот факт, чтоне вся поверхность биологической мембраны покрыта белками,показал и метод ЯМР. Так, например, более чем половина поверхности мембраны кишечнойпалочки образована полярными головами липидов.Кроме фосфолипидов и белков, в биологических мембранах содержатся и другиехимические соединения.
В мембранах животных клеток много холестерина (в сравнимомколичестве с фосфолипидами и белками). Есть в мембранах и другие вещества, напримергликолипиды, гликопротеиды. Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны внастоящее время общепринята. Однако, как всякая модель, она дает довольно упрощеннуюкартину строения мембраны. В частности, обнаружено, что белковые "айсберги" не всегдасвободно плавают в липидном море, а могут быть "заякорены" на внутренние(цитоплазматические) структуры клетки.
К таким структурам относятся микрофиламенты имикротрубочки . Микротрубочки - полые цилиндры диаметром около 300 нм из особогобелка (тубулина) играют, по-видимому, важную роль в функционировании клетки.Выяснилось также, что не все липиды в мембране расположены по принципу бислоя.Физические методы исследования показали, что липидная фаза мембран содержит такжеучастки, где липидные молекулы не образуют двойной слой.Основная область приложения биофизики - структурная основа мембраны, а именнодвойной слой фосфолипидных молекул. Молекула фосфолипида лецитина содержитполярную голову (производную фосфорной кислоты) и длинный неполярный хвост (остаткижирных кислот).
В голове фосфолипидной молекулылецитин имеются две заряженные группы, расположенные на некотором расстоянии друг отдруга. Два разноименных заряды, равные по абсолютной величине, образуют электрическийдиполь. В мембранах содержатся разные фосфолипиды. Например, в мембранеэритроцитов их около 20 видов. Варьирует химическая формула полярной головы молекулы.У некоторых фосфолипидов головы кроме двух зарядов противоположного знака,создающих дипольный момент, но оставляющих молекулу в целом нейтральной, несут одиннекомпенсированный отрицательный заряд, вследствие чего молекула оказываетсязаряженной отрицательно.
Углеводородные хвосты фосфолипидной молекулы содержатприблизительно 20 атомов углерода, в хвосте может быть 1-4 двойных ненасыщенныхсвязей.Полярные головы молекул фосфолипидов - гидрофильны, а их неполярные хвосты гидрофобны. В смеси фосфолипидов с водой термодинамически выгодно, чтобы полярныеголовы были погружены в состоящую из полярных молекул воду, а их неполярные хвостыбыли бы расположены подальше от воды. Такое расположение амфифильных (имеющих игидрофильную, и гидрофобную части) молекул соответствует наименьшему значениюэнергии Гиббса по сравнению с другими возможными расположениями молекул.Очень существенным является то обстоятельство, что молекулы фосфолипидов имеют двахвоста.
Такая молекула в пространстве имеет форму, близкую к цилиндру . Из молекулфосфолипидов в водной среде происходит самосборкабислойной мембраны. Присутствиемолекул с одним хвостом (лизолецитин), имеющих в пространстве форму, близкую к конусу,разрушает клеточные мембраны. Фосфолипидные молекулы, лишенные одного из хвостов,образуют поры в бислойной мембране, нарушается барьернаяфункция мембран.Характеристика мембранных белков и липидов.Характеристика мембранных белковИнтегральные белкиПериферические белкиГлубоко внедрены в мембраннуюструктуру и не могут быть удалены измембраны без её разрушения.Локализованы на поверхности бислоя иэкстрагируются растворами солей илипросто водой.Амфифильные глобулярныеГлобулярные гидрофильные структуры.структуры, центральная погружённаячасть – гидрофобна, концевые участки– гидрофильны.Удерживаются в липидномбислое засчёт гидрофобных взаимодействий суглеводородными цепочками жирныхкислот.Удерживаются на поверхности бислоя засчёт ионных взаимодействий сполярными участками фосфолипидов иинтегральных белков.По выполняемым функциям белки в составе мембран делятсяна:структурные;каталитические;рецепторные;транспортные.Большинство липидов в мембранах млекопитающих представлены фосфолипидами,гликосфинголипидами и холестеролом.Фосфолипиды в составе мембран подразделяются на двегруппы: глицерофосфолипиды и сфингомиелины.Глицерофосфолипиды – представляют собой сложные эфиры трёхатомного спиртаглицерола, двух остатков жирных кислот ифосфорилированногоаминоспирта.Сфингофосфолипиды (сфингомиелины) являютсяпроизводными аминоспиртасфингозинаХолестерол – одноатомный циклический спирт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
