Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

анных систем

634

Биологические мембраны

Хубер |Huber| Роберт (р. 1937), немецкий биохимик и кристаллограф. Окончил Технический университет ¦ Мюнхене (I960), с 1972 г.— профессор Института биохимии Общества М. Планка ¦ Мартинсриде. Основные работы — в области изучения структуры и функции белков методом кристаллографии.

Мнхель | Michel | Хартмут (р. 1946), немецкий биохимик и кристаллограф. Образование получил в Мюнхенском и Тюбингенском университетах, с 1979 г. работает в Институте биохимии Общества М. Планка в Мартинсриде. Основные работы связаны с изучением структуры и Функции мембранных белков методом кристаллографии.

осуществлялась с помощью антител к выделенному белку, а также гибридизацией с синтетическими нуклеотидными зондами, комплементарными ряду триптических фрагментов его полипептидной цепи.

Полипептидная цепь натриевого канала из электрического органа угря Electrophorus electricus состоит из 1820 аминокислотных остатков, причем сигнальный гидрофобный пептид отсутствует, что предполагает локализацию ее N и С-концеаых участков на цитоплазматической стороне электровозбудимой мембраны. В составе молекулы найдено четыре гомологичных повторяющихся фрагмента, в каждом из которых находятся характерные участки полипептидной цепи с основными, кислыми или незаряженными аминокислотными участками (рис. 341). Предполагается, что четыре подобных участка своими гидрофильными поверхностями образуют трансмембранный канал Срис 341, а) с размером в самой узкой части около 0,42 нм. По данным электрофизиологических экспериментов размеры ионной поры канала (рис. 341,6) оцениваются ~0,3—0,5 нм. В состав воротного механизма канала, по-видимому, входят участки полипептидной цепи, содержащие заряженные аминокислотные остатки, изменение конформацни которых под действием электрического поля мембраны, вероятно, и обусловливает переход натриевого канала в открытое состояние. Характерно, что в целом организация канала подобна организации ацетилхоли нового рецептора.

Таким образом, ионные каналы непосредственно участвуют в передаче сигнала возбудимыми клетками. Существуют хемовозбу димые (рецепторы ацетилхолина, у-аминомасляной кислоты, плута-мата, глицина и др.) и электровозбудимые (натриевые, калиевые, кальциевые, хлорные и др.) каналы. В эти транспортные системы входят участки связывания нейромедиаторов или сенсоры изменения силы электрического поля мембраны, а также непосредственно ионные поры, образованные несколькими транс мембранными белковыми фрагментами.

Белки фотосинтетических реакционных центров

Начальные этапы процесса сротосинтеза осуществляются при непосредственном участии бел ко во пи ментных комплексов фото-синтетических мембран. Энергия света первоначально поглощается светособирающим комплексом и передается далее на реакционные центры, где она с очень высокой эффективностью используется для транспорта электронов через мембрану.

В настоящее время получены данные о структуре мембранных реакционных центров фотосинтезирующих бактерий (Р. Хубер, X. Мнхель). Так, в состав реакционного центра пурпурных бактерий Rhodopseudomonas viridis входят цитохром с и три белка (субъединицы), называемые Л (легкий), С (средний), Т (тяжелый). Про стетическими группами, ассоциированными с белками реакционного центра, являются: четыре молекулы бактериохлорофилла б, две молекулы бактериофеофитина б две молекулы хинона, два атома негемового железа и каротиноиды.

Полные аминокислотные последовательности белков Л, С и Т были получены из анализа соответствующих генов. Первичная структура четвертого белка реакционного центра, т. е. цитохрома с, пока не установлена. Субъединицы Л, С и Т содержат 273, 323 и 258 аминокислотных остатков соответственно. Важной структурной особенностью является наличие в каждой из легких и средних субъединиц по пяти, а в тяжелой — одного спи рал изо ванного участка. Эти участки состоят а основном из 24—30 гидрофобных аминокислот и прерываются короткими гидрофильными фрагментами. Такое построение полипептидных цепей является характерным для мембранных белков. Молекула цитохрома с, входящая а состав реакционного центра, согласно данным аминокислотного анализа содержит 323 аминокислотных остатка и носит ярко выраженный гидрофильный характер. Белок содержит 4 характерных участка связывания гема, последовательность которых аналогична последовательности соответствующих участков других цитохромов с.

Реакционный центр фотосинтезирующих бактерий является единственным комплексом интегральных мембранных белков, полученным в виде высокоупорядоченных кристаллов. Рентгенострук-турный анализ этих кристаллов позволил рассчитать карту электронной плотности с разрешением в 0,3 нм и получить модель пространственного строения простетических групп. Карта электронной

635

Характеристика отдельных биологических мембранных Систем

Рис. 342. Трехмерная модель (слева) и пространственное расположение кофакторов внутри этой модели (справе) для белков фотореакцнонного центра фотосинтезирующих бактерий Rhodopseudo-monas viridis.

Слвшмяьнм пара' вант* юк поровнял 4

Ьамт«р*01порожнял в

636 плотности, даже при отсутствии значительной информации о пер-

--вичной структуре цитохрома с, дала возможность однозначно про-

Ьиологически мембраны следить ход отдельных полипептидных цепей (рис. 342). Централь-

ная часть комплекса состоит из субъединиц Л и С, которые связывают бактериохлорофилл б, бактериофеофитин б, негемовое железо и хинон.

Высокая степень гидрофобности центрального участка реакционного центра свидетельствует о том, что пять а-спиральных сегментов субъединиц Л и С, а также N конце вой фрагмент субъединицы Т расположены а толще мембраны. Все эти I I участков и составляют мембранную часть комплекса. Спиральные участки расположены в пространстве практически перпендикулярно плоскости мембраны. Субъединица Т и цитохром с связываются с внутренней и наружной поверхностями мембраны соответственно, причем цитохром с не содержит участков, пронизывающих мембрану. По два мембранных фрагмента от каждой из субъединиц Л и С участвуют в связывании негемового железа. Более того, четыре лиганда, необходимые для связыаания атома железа, обеспечиваются этими же четырьмя спиралями. На поверхности связывания цитохрома с между субъединицами Л и С распдлагаетсн специаль ная пара, образованная двумя молекулами бактерио хлорофилл а б и дополнительные молекулы бактерио хлорофилла б и бактерио-феофитина б. Лиганды для ионов магния молекул бактериохлоро-филла — остатки гистидина — расположены у самого входа а-спиральных сегментов в мембрану. Что же касается негемового железа, то в его связывании участвуют четыре остатка гистидина субъединиц Л и С и глутаминовая кислота субъединицы С.

Трехмерная структура реакционного центра в полном соответствии со спектроскопическими данными дает представление о пути переноса электрона. После поглощения света электрон переносится с возбужденного первичного донора электронов (специальной пары) через бактерио хлорофилл б на промежуточный акцептор — бакте-риосреофитин б и далее на первичный хиионовый акцептор. Хинон восстанавливает вторичный акцептор — слабо связанный хинон. Полностью восстановленный и прото ни ро ванный вторичный акцептор освобождается из реакционного центра, а на его место поступает хинон из мембранного окружения. Окисленная специальная пара восстанавливается цитохромом. Перенос электронов через сротосин-тетическую мембрану сопровождается транспортом протонов, который сопряжен с синтеюм АТР.

НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ БИОРЕГУЛЯТОРЫ

Алкалоиды Витамины Терпены Стероиды

Регуляторы роста и развития растений

Антибиотики

Простагландины и тромбоксаны. Лейкотриены

Яды и токсины

Феромоны и ювенильные гормоны насекомых

Пестициды

638

Низкомолекулярные биорегуляторы

Сертюрнер |SertUrner| Фредерик Вильгельм (1763—1841) немецкий химик и фармацевт. Образование получил самостоятельно, работал аптекарем в Гаме л не. Основное направление работ — фармацевтическая химия, впервые выделил активное вещество из опийного мака и показал, что оно содержит азот, углерод, водород и кислород и является солеобразующим основанием.

Низкомолекулярные биорегуляторы — весьма многочисленная группа физиологически активных соединений, как природных, так и синтетических, выполняющих разнообразные функции в организмах человека и животных, в растениях и микроорганизмах. К ним относятся алкалоиды, аи амины, терпеноиды, антибиотики, стероидные гормоны и гормоны растений, феромоны, проетаглан-дины, природные яды и токсины, лекарственные препараты, пестициды и др. Объединение таких веществ в единую группу во многом условно и базируется в основном на сравнительно небольшой молекулярной массе этих соединений. Другими словами, подчеркивается их отличие от биополимеров — белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, хотя, конечно, четкую грань между этими группами провести практически невозможно ни с химической, ни с биологической точек зрения.

В то же аремя исторически, а в известной мере и методически такое подразделение представляется оправданным и целесообразным. Действительно, алкалоиды, витамины, терпеноиды и родственные соединения были первыми объектами химии природных веществ, строение которых было расшифровано, а синтез этих соединений и их аналогов достиг немалых успехов уже к началу нашего столетия. Исследование же биополимеров, развивавшееся лишь в последние десятилетия, потребовало разработки и применении принципиально новых подходов и привело в конечном итоге к рождению физико-химической биологии.

Изучение низкомолекулярных биорегуляторов — увлекательная область знания, затрагивающая не только проблемы жизнедеятельности клетки, но и вопросы медицинской и сельскохозяйственной практики, взаимодействии различных организмов в природной экосистеме и охраны окружающей среды.

Алкалоиды

Алкалоиды (от араб, al-qali — щелочь) — азотсодержащие органические основания, встречающиеся в растениях и, как правило, обладающие физиологической активностью. В последнее аремя аналогичные соединения обнаружены и в ряде животных организмов, в высших и низших грибах, водорослях.

Биологическая роль алкалоидов до конца не выяснена — они способны быть своеобразными катализаторами биохимических процессов, могут в растениях играть роль защитных или сигнальных веществ типа инсектицидов или феромонов Не исключено, что в ходе биогенеза азотистых оснований из аминокислот алкалоиды являются так называемыми «тупиковыми» продуктами биосинтеза. Интересно, что высоким содержанием алкалоидов отличаются бобовые, пасленовые, маковые, мотыльковые, лютиковые и некоторые другие виды растений, встречаются они и в грибах (мухомор, спорынья и др ), но нх очень мало или совсем нет у роз, папоротников, лишайников и мхов. Алкалоиды не обнаружены и у бактерий.

В настоящее время описано свыше 5 тыс. различных алкалоидов, для многих из них полностью установлено химическое строение. Алкалоиды издавна привлекали исследователей ввиду их разнообразного физиологического действии, и химии алкалоидов, по всей вероятности, является наиболее древним разделом химии природных соединений.

Рис. 343. Мак снотворный (Papaver Алкалоиды классифицируют по различным признакам — по

mn г > аидам содержащих их растений (как одно из направлении химиче-

ской таксономии), по их химической природе (производные индола, пиридина, пирролизидина и т. п.) или по характеру физиологиче ского действия (болеутоляющие, сосудорасширяющие, антигель мин икн и т. п.).

Группа морфина

Морфин — главный алкалоид мака снотворного (Papaver somniferum) (рис 343), где он находится наряду с наркотином, папаверином, кодеином, тебаином и двумя десятками других алка лоидов. Его добывают из опия — высохшего на'воздухе млечного сока незрелых плодов (головок) мака. Впервые в чистом виде морфин был получен Ф. Сертюрнером в 1806 г. Строение алкалоида — в основе его лежит скелет пиперидинофенантрена — было установлено в 1925—1927 гг. Р. Робинсоном. Синтез морфина осуществлен в 1952 г. М. Гейтсом. Установление полной стереохимии морфина было завершено а 1955 г. на основе рентгеноструктуриого анализа (Д. Ходжкин).

Исходным соединением в первом полном синтезе морфина послужил диметокси-о-нафтохинон (Л, полученный в свою очередь по 10-стадийной схеме нз 2,6-ди)'идро-ксн нафталина Реакцией Михаэля с циакуксусным эфиром и дальнейшими превращениями хинон (Л был переведен в цианметнльное производное 12), к которому диеновым синтезом был достроен третий карбоцикл молекулы алкалоида. Частичное гидрирование полученного цианодикетона (J) сопровождалось циклизацией, но в образовавшемся кетолактаме (4) гетероцикл и второй карбоцикл молекулы имели нежелательное цис- очлененне Удаление кетогруплы по Кижнеру — Вольфу, восстановление акта много карбонила алЮмогидридом лития, N-метилирование н расщепление на антиподы с помощью днбензоилвинной кислоты привели к оптически активному N-метилизоморфинану (5), который путем гидратации двойной связи, гидролиза одной нз метокенгрупл и окисления по Оппенауэру был лревращен в кето-проиэводное (б). При монобромировании и дегидробромировании последнего с одновременным образованием фенилгндразона происходила необходимая изомеризация в транс очл пенное соединение (7), которое затем было вновь переведено в кето-производное (Я), имеющее уже нужную стереохимию Превращение его в кодеин егко протекало при трибромированни замыкании пятого (днгндрофуранового) кольца и восстановлекнн кетогр ппы с одновременным восстановительным дебро-мированнем; морфин образовывался при деметилнрованни кодеина хлоргндратом пиридина.

Морфин относится к болеутоляющим веществам — наркотическим анальгетикам (от греч. av — отрицание, ал,у°С — боль). Он обладает также седативным и снотворным действием, стимулирует гладкую мускулатуру, а в больших концентрациях вызывает рвоту, запоры, затрудняет диурез, угнетает центры терморегуляции (гипотермия) и дыхания; при его передозировке может наступить смерть от дыхательного паралича.

Свое название морфин получил в честь древнегреческого бога сна и сновидений Морфея. Опий с незапамятных времен был известен в древнем Средиземноморье, а позднее появился также в Западной Европе и Азии. Уже в XVI в. до н. э. в известном папирусе Эберса опий упоминается в качестве лекарственного вещества, широко применяемого в Древнем Египте (наряду с мятой, различными бальзамами к Т. п.). Одурманивающее действие опийных алкалоидов стало причиной того, что в средневековой Индии распространилось жевание опия, в Китае — его курение и т. д.

Морфин действует на центральную нервную систему, точнее, на кору больших полушарий. Он вызывает эйфорию (от греч. rv — хорошо. фрри> — переношу) — психическое состояние душевного покоя и уединения, устранения гнетущих ощущений и переживаний. Прн регулярном употреблении наркотика развивается привыкание к нему, в затем и лекарственная зависимость — болезненное пристрастие являющееся одним из видов наркомании (морфинизм). Резкое прекрашение употребления морфина приводит к болезненному состоянию абстиненции (лишения) кото рое в тяжел

страница 85
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(18.10.2017)