Молекулярные машины

Работа такой системы — молекулярной машины — организована посредством прямых и обратных информационных потоков, посредством молекулярной сигнализации. В живой системе сигналами, их источниками, приемниками и преобразователями служат молекулы и надмолекулярные структуры. Узнавание сигнала определяется многоточечными слабыми взаимодействиями, имеющими кооперативный характер. В этой книге рассмотрен ряд явлений молекулярного узнавания — взаимодействие фермент — субстрат, взаимодействие комплементарных нуклеотидов, реализуемое в двойной спирали ДНК, в транскрипции, а также в трансляции (т. е. взаимодействие кодона с антикодоном). К тем же явлениям относится взаимодействие антитела с антигеном, в этой книге не рассмотренное. [c.608]

Инициация трансляции представляет собой импульс, сообщаемый молекулярной машине, ориентированной на биосинтез белка. [c.466]

Много внимания вопросам ориентации на опыт живой природы уделяет Н. Н. Семенов. Здесь есть смысл привести хотя бы часть характеристики, которую дает он химическому производству живой природы Природа при зарождении и эволюции новых организмов создала молекулярные машины совершенно исключительной точности, быстроты действия и необычайного совершенства. Вспомним, например, вскрытый недавно химиками и биологами синтез больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. В клетках имеются субмикроскопические сборные заводики — рибосомы, включающие в себя рибонуклеиновые кислоты как сборочные машины . Каждый сорт коротких молекул транспортных рибонуклеиновых кислот захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах рибонуклеиновых кислот. Тут же к аминокислотам подходят ката-.тизаторы-ферменты и осуществляют сшивку аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий квалифицированный завод, строящий молекулы по плану, выработанному природой в процессе эволюции [15, с. 192—193]. [c.173]

При изучении химического состава тонких соединительных нитей в них неожиданно обнаружили высокое содержание оксипролина и оксилизина. Каждая нить состоит из трех цепей и имеет, по-видимому, коллагеновую структуру (гл. 2, разд. Б.З.в). Глобулярные же концы имеют, вероятно, более типичную белковую структуру. Таким образом, белок lq представляет собой еще одну молекулярную машину , секреты которой предстоит раскрыть. Связываясь с антителами, антигены активируют их участки, связывающие комплемент. Активированные антитела связываются белком lq зто связывание каким-то образом его активирует, и он в свою очередь активирует С1г. Считают, что последний связывается с центральной частью lq, тогда как антитела связываются с наружными концами этой сложной молекулы. Возникает вопрос каким же образом информация об активации переносится с наружных частей на центральную часть молекулы [c.388]

Трансляция осуществляется на рибосомах — своеобразных молекулярных машинах, функционирующих в цитоплазме и ориентированных на биосинтез всех видов белковых макромолекул. Рибосомы удерживают в функциональном состоянии многокомпонентную белок-синтезирующую систему, а также [c.464]

Конечно, следует заметить, что подобные грубые схемы уподобляют бактерии и простейшие организмы элементарным молекулярным машинам [c.105]

На рис. 4.1 представлена одна из бесчисленных схем биохимических реакций, которые можно найти в любом учебнике биохимии. Мы видим химические вещества, которые превращаются в другие с помощью специфических катализаторов (ферментов). Стрелка указывает нам, что во что превращается под действием специфического фермента. Эта стрелка и есть изображение химического превращения. Чтобы выяснить механизм ферментативного катализа химической реакции, необходимо знать механизм действия фермента, осуществляющего данную реакцию. Мы увидим ниже, что молекула каждого фермента есть фактически машина, реализующая катализируемое химическое превращение. Чтобы понять смысл биохимических схем, ученый должен знать конструкции и способы функционирования каждого фермента на этих схемах. Другими словами, каждая стрелка должна быть ассоциирована с конкретной молекулярной машиной, В настоящее время ясно, что эта задача может быть выполнена, что эта проблема биологической физики решаема, В течение последних лет подобная работа была выполнена для ряда биохимических реакций. Остается исследовать еще не одну тысячу. Этим стоит заняться физикам, изучающим биологические проблемы. [c.54]

Мы описали здесь конструкцию и способ действия только одной биохимической молекулярной машины. До настоящего времени это сделано примерно для дюжины ферментов, и это число быстро растет вместе с потоком публикаций. [c.113]

Рибосомы-это молекулярные машины, предназначенные для синтеза полипептидных цепей [c.935]

Гемоглобины — это не просто пассивный переносчик кислорода. Это сложная молекулярная машина. Показательным в этом отно- [c.640]

Главным свойством биополимеров является линейность полимерных цепей, так как только линейные структуры легко кодируются и собираются из мономеров. Кроме того, если полимерная нить обладает гибкостью, то из нее довольно просто образовать нужную пространственную конструкцию, а после того как построенная таким образом молекулярная машина амортизируется, сломается, ее легко разобрать на составные элементы, чтобы снова их использовать. [c.354]

Макромолекулы можно рассматривать как своего рода молекулярные машины, служащие для преобразования одного вида энергии в другой, как это следует из концепции белок — машина (Д. С. Чернавский, Л. А. Блюменфельд). Характерной чертой таких машин является трансформация различных видов энергии в результате взаимодействий в пределах одной макромолекулы. Так, функционирование реакционного центра фотосинтеза сопровождается конформационными изменениями его макромолекулярных компонентов — дает начало цепи переходов энергии электронного возбуждения в энергию разделенных зарядов и энергию поляризации белковой части, а также в энергию трансмембранного электрохимического потенциала и энергию химических связей АТФ. Таким образом, уже на макромолеку- [c.11]

Конечно, предстоит еще большая работа по разработке физических моделей внутримолекулярной динамики макромолекул. Однако уже сейчас ясно, что принцип ЭКВ позволяет с единых общенаучных позиций рассмотреть функционирование различных молекулярных машин, казалось бы, далеких друг от друга по своей биологической роли. Специфика и общность молекулярных механизмов фотобиологических процессов состоит в том, что первичный фотофизический акт использования энергии электронного возбуждения хромофора происходит при непосредственном участии его белкового окружения и ведет к созданию локального конформационно-напряженного состояния. Это состояние затем распространяется на всю макромолекулу, причем возникающие функционально значимые изменения есть результат конформационных превращений в белковой части фоточувствительного хромопротеина. [c.12]

Мы знаем, что процессы в организме регулируются. Сердце бегуна бьется втрое чаще, чем у спокойно сидящего человека. Работа сердца регулируется нервной системой. А можно ли как-то регулировать работу молекулы, управлять молекулярной машиной [c.102]

Здесь мы сталкиваемся с новым классом молекулярных машин белков-переносчиков и с явлением электрического транспорта. Эти белки присоединяют к себе на наружной части мембраны молекулу (например, сахара) и ион натрия, приобретая положительный заряд (рис. 25). Тогда электрическое поле втягивает переносчик к внутренней поверхности мембраны, где он отделяет сахар и натрий. Затем белок-переносчик вновь проходит через жидкую липидную мембрану на поверхность, где захватывает новые молекулы сахара и натрий. Лишний натрий, который попадает внутрь клетки, откачивается наружу натриевым насосом. [c.106]

Другие современные направления молекулярной биологии — это изучение устройства одиночных молекулярных машин, их деталей и их взаимодействия, выяснение того, какие атомные группы играют роль ворот и т. д. И, наконец, еще одно направление — генетика ионных каналов. [c.113]

Этими словами мы хотим подчеркнуть, что особенные, исключительные свойства нейрона — модификация свойств, присущих и другим клеткам организма, В ходе естественного отбора молекулярные машины и разные клеточные устройства приобретают в разных клетках несколько разные функции, при этом сами устройства могут либо несколько меняться, либо использоваться в том же виде, но для другой цели. Раньше мы уже говорили, что ионные насосы и потенциалы покоя имеются у всех клеток организма, а в нервных и мышечных клетках используются для передачи сигналов. [c.177]

Процессы трансформации энергии при дыхании и фотосинтезе протекают в определенным образом организованных мультиферментных комплексах, расположенных в мембранах митохондрий, хроматофоров, хлоропластов и др. Вместе с тем до последнего времени практически игнорировались кинетические и термодинамические эффекты объединения компонентов электронного транспорта в комплексы и предполагалось, что перенос электронов между переносчиками может быть представлен как бимолекулярный процесс. Взаимодействие между отдельными комплексами переносчиков происходит либо непосредственно, либо с помощью относительно подвижных переносчиков электронов, таких, как убихинон, цитохром с и др. Каждый из комплексов представляет собой своего, рода молекулярную машину, функционирование которой можно описать как переходы между ее различными состояниями. Мультиферментный комплекс можно рассматривать как систему обслуживания, характеризующуюся потоком входящих требований , временем обслуживания и т. д. [см., например, Гнеденко, Коваленко, 1966] и применить математический аппарат, развитый для таких систем. [c.285]

Остается еще объяснить механизм высвобождения ионов Са2+, приводящих в действие всю эту молекулярную машину. Полная последовательность предшествующих событий показана на рис. 18.6. Процесс начинается с генерации потенциала концевой пластинки (ПКП) (этот этап рассматривается в гл. 8). В некоторых мышечных волокнах, обычно менее крупных и медленнее сокращающихся, единственной электрической реакцией может быть градуальный ПКП. В крупных и быстро сокращающихся волокнах ПКП приводит к генерации потенциала действия. Последний распространяется по мышечной мембране, в сущности, таким же образом, как и нервный импульс по аксону. Через особую мембранную систему, так называемую систему Т-трубочек, деполяризация быстро проникает во внутреннюю часть мышечного волокна. Т-трубочки тесно примыкают к [c.16]

Белоксинтезирующаяся система Е. соИ включает 15 000 рибосом, которые составляют одну четвертую часть общей массы клетки. Выяснение устройства и механизма функционирования этих маленьких молекулярных машин, которые под электронным микроскопом имеюг вид всего лишь неясных точек, является одним из основных направлений исследований современной молекулярной биологии [88]. [c.227]

Рибосомы представляют собой сложную молекулярную машину ( фабрику ) синтеза белка. Для выяснения тонких механизмов синтеза белка в рибосомах необходимы более точные сведения о структуре и функциях всех компонентов рибосом. В последнее время получены данные, свидетельствующие о вероятной пространственной трехмерной структуре как целых рибосом, так и их субчастиц. В частности, выяснено, что форму и размеры 30S и 40S субчастиц рибосом предопределяют не белковые молекулы этих частиц, а третичная структура входящих в их состав 16S и 18S рРНК. Более того, по данным акад. A. . Спирина, для сохранения пространственной морфологической модели всей 30S субчастицы оказалось достаточным наличие только двух белков (из 21), содержащихся в определенных топографических участках молекулы 16S рРНК. [c.515]

Синтез РНК на матрице ДНК происходит с помощью РНК-иолимеразы. Большинство исследований проведено на РНК-по-лимеразе из Е. соИ или из бактерии Azotoba ter vinelandii. Эти ферменты являются своего рода молекулярными машинами — они имеют сложную четвертичную структуру и выполняют ряд функций узнавание начального локуса синтеза и специфическое связывание в этом локусе ДНК, инициацию синтеза РНК (образование первой межнуклеотидной связи), непосредственно синтез РНК и терминацию — обрыв синтезируемой цепи РНК в конце гена или линейной последовательности генов (при синтезе полицистронной РНК) и сваливание фермента с матрицы. [c.565]

Конус роста должен в конце концов превратиться в нечто иное. Достигнув своей мишени, он должен как-то узнать об этом здесь нужно будет сформировать синапсы и прекратить рост. Так как в теле зрелого нейрона к микро-трубочхам и нейрофиламентам продолжают присоединяться новые субъединицы и эти скелетные структуры продвигаются по нейриту вперед, для создания синаптического окончания необходимо, чтобы на конце нейрита пришла в действие молекулярная машина , разрушающая микротрубочки и нейрофиламенты сразу же при их появлении в окончании (см. гл. 10). Это изменение в поведении цитоскелета в нервном окончании должно также сопровождаться изменением в обороте материала мембраны. В развивающемся деидрите, образующем постсинаптическое окончание, экзоцитоз и эидоцитоз почти прекращаются, тогда как в развивающемся аксоне, образующем пре-синаптическое окончание, непрерывные быстрые процессы экзоцитоза и эндоцитоза, свойственные конусу роста, должны уступить место Са -зависимому экзоцнтозу и последующему поглощению выделенного вещества путем эндоцитоза, т. е. процессам, лежащим в основе синаптической передачи. [c.138]

Как уже было ранее подчеркнуто, все биологические молекулярные машины являются машинами химическими.. Они осуществляют сопряжение между энергодонорными и энергоакцепторными химическими реакциями. В классической физической химии такое сопряжение требует присутствия общего интермедиата, участвующего в обеих реакциях. [c.88]

Наиболее важный вклад в наше сегодняшнее знание каталитической компоненты АТРсинтазы был сделан в лаборатории Уокера [73]. Упрощенные схемы структуры и функционирования АТРсинтазы приведены на рис. 4.26 и 4.28. Весь комплекс представляет собой молекулярную машину, состоящую из ротора и статора. Мы уже говорили [c.110]

Молекулярные машины в биологаческих системах работают не так, как обычные макроскопические тепловые машины. Тепловые степени свободы нельзя рассматривать как резервуар, энергая которого непосредственно используется для реализации элементарного акта ферментативной реакции. [c.113]

Существенно новой проблемой является построение термодинамики комплек-сов активных молекул переносчиков, представляющих собой молекулярные машины со статистическими и механическими степенями свободы (см. гл. III). Очевидно, скорости процессов переноса и трансформации энергии в таких системах зависят от конкретных молекулярно-кинетических механизмов кооперативных взаимодействий внутри каждого комплекса, а не от общего числа переносчиков в системе. Поэтому в общем случае выражения для сил (химические потенциалы) и потоков в комплексах молекул-переносчиков не совпадают с обычными выражениями, применяемыми в случае подвижных переносчиков. [c.158]

Резкий характер температурного перехода f T) позволяет также считать, что в этих условиях в белке происходит фазовый переход между подвижной и малоподвижной конформацией, сопровождающийся разрыхлением слабых связей (Д. С. Чернавский). Конформационный переход из закрытого в открытое состояние заключается в разрыве насыщенных слабых связей и освобождении выделенной степени свободы, после чего система приобретает подвижность и становится молекулярной машиной (см. 1 гл. X). Считая, что размеры подвижных сегментов макромолекулы порядка i 2 нм, энергии связей Е 0,2 -г 0,5 эВ, частоты колебаний в открытом состоянии соо 10 с , можно найти, что амплитуда колебаний подвижных сегментов, где локализован атом Ре, равна (А) 0,05 нм. Это намного больше длины волны резонансного у-кванта (0,013 нм) и, следовательно, в открытом состоянии эффект Мёссбауэра отсутствует f = 0. В закрытом состоянии амплитуда колебаний сегмента существенно меньше и эффект Мёссбауэра уже определяется жесткостью связей атома Ре с непосредственным локальным окружением. Поэтому изменение фактора f и подвижности с температурой можно интерпретировать как изменение доли макромолекул, находящихся в закрытом состоянии. [c.307]

Механизм процесса состоит в том, что в точке Ж1 молекула I превращается в ион 1 , который диффундирует до точки Ж2, где 1 отдает электрон. Далее молекула I диффундирует обратно. Таким образом, система работает как своеобразный молекулярный насос по перекачке электронов за счет диффузионной подвижности по конформационным подсостояниям, а в целом за счет общего теплового эффекта реакции —> А . В отличие от макроскопических машин эта молекулярная машина обладает выделенной стохастической степенью свободы, поскольку тепловые флуктуации оказывают сильнейшее влияние на движение фрагментов белка с массой < 10 г при амплитудах > 0,1 нм. Детерминистский машинный характер работы системы определяется не самим характером движения групп I и, а формой потенциальной кривой С/(ж) и наличием двух реакционноспособных конфигураций. Время диффузии или время корреляции конформационных движений экспоненциально зависит от температуры. Поэтому температурная зависимость скорости W даже при постоянных значениях Wo и W , будет иметь характерный двухфазный вид, внешне аналогичный температурной кривой рис. ХПГ1. В области температур. [c.410]

В популярной форме рассказывается о том, откуда берется электричество в живых клетках и как оно используется организмами. Рассматривается работа нервных клеток, передача сигналов по нервным волокнам, электрические процессы в органах чувств, в сердце, мышцах и железах, у бактерий и одноклеточных организмов и т. д. Рассказывается о молекулярных машинах , управляющих электрическими процессами в клетках и клеточных органеллах. Большое внимание уделено истории открытий в электробиологии и людям, сделавшим эти открытия. [c.2]

Мы уже говорили, что в наружную клеточную мембрану встроены разного рода белковые молекулы. Оказывается, некоторые из этих молекул играют роль своеобразных насосов, закачивая ионы калия внутрь клетки и выкачивая ионы натрия наружу. Они так и называются — ионные насосы . Эти белки, очень сложно устроенные, представляют собой настоящую молекулярную машину, умеющую делать удивительные вещп. Например, показано, что она имеет два активных центра, одним из которых может захватывать ион калия, а другим — натрия. Найдено также и топливо , на котором работает эта машина. Это особое химическое соединение — аденозин-трифосфорная кислота (АТФ). Известен также коэффициент полезного действия этого топлива опыты с радиоактивными изотопами показали, что энергии распада одной молекулы АТФ достаточно для выкачивания наружу трех ионов натрия и закачивания внутрь клетки двух [c.101]

Мы с вами вкратце ознакомились с работой одного из мембранных белков — натрий-калиевого насоса. В дальнейшем нам придется говорить про многие другие мембранные белки. Но одно важное замечание можно сделать уже после этого первого примера. До сих пор мы рассматривали такие процессы, которые протекали совершенно одинаково и в физических, и в биологических системах. ПП возникает совершенно одинаково и на полупроницаемой мембране нервного волокна, и на полупроницаемой стенке глиняной трубки. Теперь мы в первый раз столкнулись с таким явлением, которое не встречается в физике, так как оно является результатом биологической эволюции. Это машина, размером всего в одну молекулу, пе-рекачиваюш ая ионы через мембрану. Работа этой машины может регулироваться как поставками энергии, так и ситуацией в окружаюш ей среде. С разными молекулярными машинами мы неоднократно встретимся в дальнейшем. [c.103]

Если еще недавно предполагалось, что ионный канал — это стабильная машина, которая встраивается в мембрану и функционирует достаточно долго (может быть, и всю жизнь), то теперь выяснилось, что белки-каналы нервных клеток функционируют всего около суток, а потом разрушаются н на их место доставляются новые каналы. Синтезируются эти канальные белки, как и другие белки, специальными молекулярными машинами — рибосомами. Команду , какой именно белок синтезировать, рибосомы получают от особых молекул — молекул информационной рибонуклеиновой кислоты (иРНК). Английскому биологу Миледи удалось поставить такой красивый опыт. Ои выделил из нервных клеток молекулы РНК (в том члсле и РНК, кодирующие белки каналов) и ввел их в яйцеклетку. В норме эти яйцеклетки невозбудимы, т е. не реагируют на деполяризацию ПД. Однако те яйцеклетки, в которые ввели РНК нейронов, приобрели возбудимость и стали отвечать на раздражение такими же импульсами, как нервные клетки. Это означает, что по РНК нейронов на рибосомах яйцеклеток были синтезированы белки ионных каналов, эти белки сумели встроиться в мембрану яйцеклетки и нормально в ней работали. [c.113]

Сейчас известно довольно много деталей об устройстве и работе молекулярной машины — холинорецептора. Холинорецептор состоит из пяти субъединиц — участков. Изучение аминокислотных последовательностей зтих единиц показало, что все они произошли в результате модификации одного и того же гена. Соединяясь между собой, эти субъединицы образуют в центре канал. (Вспомните, что коннексоны электрического синапса состоят из 6 субъединиц, которые тоже образуют канал.) Этот канал имеет примерно квадратное сечение со стороной квадрата 0,65 нм. Он не различает ионов К " и Ка" , но не пропускает анионы. Ворота канала открываются на случайные промежутки времени (при ПП и 20 °С в среднем на 1 мс). Проводимость такого канала равна примерно С. [c.168]

Гипотеза Митчела превратилась в одну из основ биоэнергетики. Но не следует думать, что она решила все вопросы. Дальше надо было выяснить, как именно работают ферменты, создающие МП митохондрий, и ферменты, синтезирующие АТФ. Кое-что о работе этих молекулярных машин выяснено, и тот, кто заинтересовался этим вопросом, с большой пользой прочитает книгу В. П. Скулачева. [c.271]

Особенно важен анализ влияния Е на процессы первичного активного транспорта, которые играют решающую роль в энергизации мембран путем создания соответствующих электрохимических градиентов. Из двух основных систем, обеспечивающих протекание этих процессов — транспортных АТФаз и ЭТЦ. определенные сведения по данному вопросу имеются относительно первой системы. Идея о том. что транспортные АТФазы. являясь электро-генными молекулярными машинами, по принципу обратной связи должны находиться под контролем мембранного потенциала, успешно разрабатывается в последние годы [367]. Однако она еще не получила достаточно полного обоснования. [c.76]

Таким образом, функционирование ФРЦ как молекулярной машины, преобразующей случайные потоки электронов и квантов света в направленный поток электронов, обеспечивается соотношением констант скорости, которое задает последовательность и направление переноса электронов. [c.205]

Мы часто в последнее время произносим словосочетание .молекулярная машина , не осознавая его экстравагантности. Нормальная машина — устройство, в котором тепловое движение составляющих ее атомов (деталей) не играет никакой роли. Машина обычно вполне макроскопична. Молекулярная машина существует в оглушительном тепловом шуме, целесообразные движения ее деталей происходят среди теплового беспорядка и являются статистическим итогом разнонаправленного броуни-рования [136—138]. Почему же мы говорим о макромолекуле белка как о машине Потому, что в силу структурных ограничений большая часть взаимных перемещений кусков макромолекулы друг относительно друга невозможна и сама она совершает броуновское движение как целое. Лишь в некоторых функционально значимых направлениях тепловые флуктуации приводят к изменениям конформации, изменениям взаимного расположения частей макромолекулы. В макромолекуле фермента, не соединенной с субстратом, эти движения равновероятны в двух направлениях — туда и обратно (они представляют собой флуктуационные конформационные колебания), тогда как в макромолекуле, связанной с превращаемым субстратом, движения туда и обратно неравноценны. Например, при движении какой-либо функциональной группы полипептидной цепи туда осуществляется реакция, сопровождающаяся необратимым изменением субстрата (его свободная энергия уменьшается и выделяется тепло), а при движении обратно реакция не идет (без сопряженного подвода энергии). [c.68]

Лри этом он подчеркивает, что вытекающее из этих выражений уменьшение энтропии организации в ходе эволюции связано не, С уменьшением запаса энтропии в системе, а с повышением КПД базисной реакции за счет совершенствования ЭОКС как молекулярной машины. Учитывая это, А. П. Руденко считает неудачными представления о таких разновидностях энтропии в [c.25]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология