В. А. Петров Молекулярная биофизика Биомакромолекулы и их физикохимические характеристики. Среднестатистические молекулярные массы
Молекулярная биофизика – раздел биофизики, изучающий физические и физико-химические свойства, явления и процессы, происходящие в биологических макромолекулах и в их надмолекулярных структурах с целью выяснения пространственной структуры этих объектов и физических принципов, лежащих в основе их функционирования. Шестидесятые годы XXстолетия стали годами бурного развития молекулярной биологии, поставившей перед собой определенные задачи, разрешение которых потребовало разработки специальных биофизических методов исследования.
Это, в конечном счете, и привело к выделению в биофизике нового раздела – молекулярной биофизики со своими задачами и методами. Основная задача молекулярной биофизики – это установление связи между физической структурой, свойствами биологически важных макромолекул с выполняемыми ими в организме функциями. Следует также осветить и тот вклад, который внесли в развитие биофизики вообще и, в частности, молекулярной биофизики сотрудники кафедры биофизики (заведующий кафедрой академик РАМН Ю. А. Владимиров) Медикобиологического факультета (МБФ) РНИМУ им. Н. И. Пирогова (бывшего 2 -го Государственного медицинского института).
Первыми научными направлениями исследований на кафедре были следующие: 1) структура макромолекул гистоновых белков и их комплексов с ДНК; 2) физико-химические свойства биологических мембран, связанные с перекисным окислением липидов, и нарушение этих свойств при патологии организма; 3) фотобиологическое действие УФ-света на биологические мембраны; механизм цепных реакций ПОЛ; 4) хемилюминесценция, сопровождающая перекисное окисление липидов (ПОЛ) биосистем животных и человека.
До 1970 года в научной литературе общепризнанной моделью структуры молекул гистоновых белков считалась структура неупорядоченного клубка. Ю. А. Владимиров, Г. Е. Добрецов с сотрудниками на основании данных по изменению флуоресценции остатков тирозина в гистонах при различных р. Н раствора показали, что между остатками тирозина происходит полный перенос энергии. Это означало, что все тирозилы в молекуле гистона тесно сближены. На основании этих данных, а также данных вискозиметрии, спектроскопии ядерного магнитного резонанса и теоретических исследований
Г. Е. Добрецовым совместно с В. А. Петровым и Т. А. Борщевской впервые в мире еще в 1970 -73 г. г. была предложена модель глобулярного гистона. Впоследствии с 1976 г. такая модель стала общепризнанной. В дальнейшем научная группа кафедры занялась поисками новых флуоресцентных зондов и разработкой новых методов их применения в исследованиях биомембран. В этом направлении работали Г. Е. Добрецов, В. А. Петров, Г. И. Клебанов, А. И. Деев и др. Результаты этой работы были опубликованы в первой в мире монографии Ю. А. Владимирова, Г. Е. Добрецова “Флуоресцентные зонды в исследовании биологических мембран“(1980),
а затем в монографии Г. Е. Добрецова “Флуоресцентные зонды в исследовании клеток, мембран и липопротеинов” (1989 г. ). Эти книги дали возможность познакомиться не только с теорией метода флуоресцентных зондов, но и с многочисленными способами их применения как для фундаментальных, так и прикладных исследований в различных областях медико-биологических наук. Так, развивая метод безызлучательного переноса энергии между флуоресцентными зондами, сотрудникам кафедры биофизики МБФ удалось получить уникальную информацию о пространственной структуре мембран и липопротеинов не только в изолированном состоянии, но и непостредственно в живых клетках.
Кроме того, были разработаны уникальные методы измерения трансмембранных полей на плазматической и митохондриальной мембранах живых клеток. Физико-химические характеристики белковых макромолекул на примере человеческого сывороточного альбумина (ЧСА) ЧСА как объект исследования молекулярной биофизики С основными понятиями, задачами и вопросами, с которыми имеет дело молекулярная биофизика, можно познакомиться на примере изучения такой биомакромолекулы как альбумин сыворотки крови человека (ЧСА). Молекулы, имеющие молекулярную массу от 104 Да и выше, называют макромолекулами.
Основные типы среднестатистических молекулярных масс биомакромолекул и методы их определения являются вопросами молекулярной биофизики и будут рассмотрены ниже. ЧСА составляет более половины массы белков плазмы крови и выполняет определенные функции в организме. Впервые альбумин был обнаружен G. Mulder в 1838 году. Казалось бы, давно известный в медицине ЧСА хорошо изучен. Однако это не так – много задач, связанных со структурой и функциями этого белка, остаются до сих пор нерешенными. Одна из важнейших функций альбумина – транспортная – связывание низкомолекулярных метаболитов, например, токсинов и доставка их в печень.
Рассмотрим три основных этапа транспортной функции ЧСА и некоторые физико-химические процессы, связанные с ними. Первым этапом является связывание альбумином низкомолекулярных органических веществ – лигандов (L) (см. рис. 1). L + ЧСА = L-ЧСА Рис. 1. Первый этап транспортной функции САЧ - образование комплекса альбумина (САЧ) с лигандом (L) за счет физических сил взаимодействия.
Образование комплекса ЧСА–L происходит за счет физических сил взаимодействия, т. е. нековалентных. Эта реакция образования комплекса характеризуется следующими параметрами: Ксв. – константой связывания альбумина с лигандом и N – числом участков связывания альбумина. Молекулярная биофизика при этом исследует типы физических сил взаимодействий между атомными группировками в биомакромолекулах и предлагает соответствующие способы их расчета. Образование комплекса ЧСА–L происходит за счет физических сил взаимодействия, т. е. нековалентных. Эта реакция образования комплекса характеризуется следующими параметрами:
Ксв. – константой связывания альбумина с лигандом и N – числом участков связывания альбумина. Молекулярная биофизика при этом исследует типы физических сил взаимодействий между атомными группировками в биомакромолекулах и предлагает соответствующие способы их расчета. Кроме того, используя различные методы, можно определить Ксв. и N – параметры связывания комплекса ЧСА–L. Эти вопросы будут рассматриваться отдельно (раздел «Биофизика клетки).
От каких факторов зависит связывание альбумином лигандов? 1)Некоторые вещества и электромагнитные поля, модифицирующие структуру ЧСА, влияют на процесс связывания. Среди веществ-модификаторов чаще всего рассматриваются жирные кислоты. 2)Присутствие различных веществ-конкурентов, вступающих во взаимодействие с комплексом ЧСА -L. 3)Ионная сила окружающего раствора - . 4)Солевой состав среды (одно - или многозарядные ионы).
Изучение действия всех этих факторов целесообразно, так как они влияют на процесс связывания альбумином лигандов и поэтому их можно использовать в качестве регуляторов транспортной функции ЧСА. За счет нековалентных сил образуются обратимые комплексы как с эндогенными метаболитами, так и с экзогенными веществами. К первым относят билирубин, неэстерифицированные жирные кислоты, простагландины, биогенные амины, гормоны и т. д. Ко вторым - яды, в том числе и лекарственные препараты.
Транспортная функция альбумина может уменьшаться при нарушении синтеза белковых молекул, то есть или при снижении количества альбумина в крови, или при изменении его структуры. Но чаще транспортная функция альбумина нарушается и при нормальном уровне ЧСА в плазме и без изменения его структуры. Нарушение связывающей функции альбумина происходит при многих заболеваниях, вызывающих развитие в организме больного печеночной и почечной недостаточности, что приводит к резкому росту концентрации метаболитов и токсинов в крови и к блокированию связывающих центров белка.
В этих случаях связывающая способность может уменьшаться более, чем в десять раз. Флуоресцентный способ оценки связывающей способности альбумина крови здоровых и больных людей был разработан доц. Ю. А. Грызуновым (вып. МБФ) в лаборатории флуоресцентных методов исследования (зав. лаб. Г. Е. Добрецов) НИИ физикохимической медицины МЗ РФ (директор - академик РАМН, профессор Ю. М. Лопухин) и на кафедре биофизики Медико-биологического факультета (МБФ, зав. кафедрой академик РАМН, профессор Ю. А. Владимиров) Российского государственного медицинского университета (ректор РГМУ - академик РАМН профессор В. Н. Ярыгин). Метод флуоресцентных зондов относится к методам молекулярной биофизики.
Вторым этапом транспортной функции альбумина является миграция комплекса ЧСА-лиганд к клетке, содержащей рецептор, комплементарный переносимому веществу. Этот этап транспортной функции ЧСА наименее изучен. Третьим этапом транспортной функции альбумина является передача лиганда (L) от ЧСА к рецептору (R) клетки (рис. 2). ЧСА R клетка Рис. 2. Третий этап транспортной функции альбумина - передача L от ЧСА к рецептору клетки (R).
Это происходит лишь тогда, когда комплекс лиганд –белок достигает биологического рецептора, комплементарного переносимому веществу. На этот перенос влияют следующие факторы: 1) Разность констант связывания L c ЧСА и с клеточным рецептором R: Ксв. (L–R) – Ксв. (L–ЧСА). 2) Разный состав и условия окружающей среды комплекса L–ЧСА в сыворотке крови и в микроокружении рецептора клетки R. 3) Конформационные изменения альбумина, возникающие при контакте его с клеточной мембраной (например, электрическое поле) или какими-нибудь веществами, что, в конечном счете, приведет к изменению сродства ЧСА–L.
Все эти этапы, протекающие с участием физических сил взаимодействия между молекулами, в конечном счете, обеспечивают транспорт лекарств к очагу поражения, предотвращая их токсическое действие по пути миграции. А перенос альбумином эндогенных метаболитов и экзогенных ядов к гепатоцитам является важным звеном в системе детоксикации организма. Приведем основные физико-химические характеристики ЧСА, а также методы, с помощью которых их получают. Это фактически будет методологией изучения любого нового белка, которой пользуются исследователи, работающие в области молекулярной биофизики.
Скачать презентацию В А Петров Молекулярная биофизика Биомакромолекулы и их
Презен.Мол.б-ф. 1-факторы на ЧСА.ppt