Биохимия мембран с основами нейрохимии

Лектор - А.А. Болдырев

14 лекций, 2 семинара, компьютерный тест и теоретический зачет

Программа

Тема 1. Общий очерк мембранной организации клетки

    Биологические функции мембран:
  • отграничить живое от неживого
  • организовать внутри клетки компартменты с различными свойствами
  • контролировать проникновение в клетку и выход из нее метаболитов
  • реагировать на внешние сигналы – рецепторы, трансформация сигналов
  • создать гидрофобную среду для защиты гидрофобных белков и обеспечения их функций
  • обеспечить контроль за функцией мембранных белков

Эволюция представлений о строении мембран. Состав мембран. Чем создается биологическое разнообразие мембран? Мембранные липиды: физико-химическая характеристика. Мембранный бислой: самосборка, подвижность компонентов, асимметрия, фазовые состояния. Дефектные зоны. Роль холестерина. Мембранные белки – особенности строения. Встраивание в бислой. Олигомерная организация мембранных белков.


Контрольный вопрос: Биологическое значение белковых ассоциатов в мембране.


Тема 2. Биомембраны – физико-химические методы исследования

Временные характеристики мембранных феноменов и возможности методических приемов для их исследования. ЭПР, ЯМР, флуоресцентная спектроскопия, малоугловое рассеивание нейтронов, сканирующая калориметрия – достоинства и ограничения. Методы характеристики липидных кластеров, аннулярных липидов, микровязкости бислоя. Сопоставление возможностей разных методов. Адресные метки. Исследование фазового состояния мембранных липидов. Графики Аррениуса. Изучение функционирования мембранных белков.

Детергенты – принцип действия, характеристика, классификация. Влияние внешней среды на характеристические константы детергентов. Достоинства и недостатки исследований солюбилизированных мембранных белков.


Контрольный вопрос: Биологическое значение ассиметрии мембранного бислоя


Тема 3. Транспорт через клеточные мембраны: структурные основы

Кинетика мембранных ферментов. Классификация транспортных процессов. Ингибиторы. Пассивный транспорт. Простая и облегченная диффузия. Канальный и челночный типы переноса: как различить эти два вида транспорта? Рецепторы и каналы. Первично-активный транспорт. Транспортные АТРазы. Вторично-активный транспорт. Транспорт метаболитов. АТФ/АДФ-транслоказа. Na/Ca-обменник. Транспортер глюкозы. Обратный транспорт глутамата.


Контрольный вопрос: Почему натрий и кальций выбраны природой как сигнальные ионы?


Тема 4. Транспортные АТРазы. Na-насос: механизм функционирования и способы регуляции

Na/K-АТРаза – пример АТРаз Р-типа. Упаковка фермента в мембране, ориентация центров. Общая реакция, стехиометрия переноса ионов, обратимость. Зависимость от Na и K. Доказательства образования фосфофермента в АТРазной реакции. Конформационная лабильность Na/K-АТРазы. Методы исследования конформационной лабильности мембранных белков. Роль АТР как субстрата и модулятора активности.

Na/K-ATPаза как олигомер: кинетические исследования, метод молекулярной мишени, вращательная подвижность белка.

Nа-насос: способы измерения транспортной функции, субстратная специфичность, функциональное значение для клетки.

Са-насос: организация в мембране, принципы работы, обратимость, исследования с помощью точечных мутаций, олигомерная организация и роль АТР.

Влияние протеинкиназ на активность транспортных АТРаз.


Контрольный вопрос: Принципы трансформации энергии в молекулярных машинах


Тема 5. Na-насос и регуляция гомеостаза нейрона

Доказательства олигомерной организации и функциональной роли олигомеров. Изоформы фермента и их биологическое значение. Чувствительность к уабаину. Эндогенные уабаин-подобные соединения, их значение для регуляции клеточного гомеостаза. Связь Na-насоса с другими транспортными системами клетки.


Тема 6. Механизмы клеточной сигнализации

Мембранные рецепторы и сигнальные молекулы. Внутриклеточная сигнализация. Рецепторные пути передачи информации. Вторичные мессенджеры и их мишени. Реализация внеклеточных сигналов внутри клетки. Глутаматные рецепторы.


Тема 7. Окислительный стресс

Метаболическая необходимость активации кислорода и образование активных форм кислорода (АФК). Двойственная роль свободных радикалов. Окислительный стресс. Маркеры окислительного стресса. Функциональные параметры окислительного стресса.

Особенности окислительного метаболизма мозга: полирецепторные механизмы передачи информации, высокая потребность в кислороде и глюкозе, генерация АФК в процессе метаболизма, высокий уровень железа и полиненасыщеных жирных кислот, низкая активность антиоксидантной системы.

Свободные радикалы и регуляция метаболизма. Биохимические реакции, рождающие АФК в нейронах. Полезные и вредные функции АФК. Польза «вредных» функций. Мишени для АФК в клетке. Перекисное окисление липидов. Окислительная модификация ДНК, модификация белков (Na/K-АТРаза, ксантиндегидрогеназа, транспортер глюкозы, глутамата, теломераза). Механизмы репарации биомакромолекул в условиях стресса.


Контрольный вопрос: Двойственная роль АФК в клетках


Тема 8. Механизмы клеточной смерти

Апоптоз и некроз – инициация, механизмы и регуляция. Причины и инициирующие сигналы клеточной смерти, ключевые реакции, способы защиты. Патологии, вовлекающие апоптоз и некроз в свое развитие.

Проточная цитометрия как метод изучения индивидуальной нейрональной клетки. Метки на энергетическое состояние мембраны, АФК, рН, Са, ключевые ферменты клеточного обмена, апоптоз и некроз. Генерация АФК при активации глутаматных рецепторов, роль кальция.


Контрольный вопрос: Апоптоз – генетическое обоснование целесообразности?


Тема 9. Природные механизмы защиты клеток от окислительного стресса

Антиоксидантная система. Множественные пути антиоксидантной защиты. Антиоксиданты как протекторы целостности клетки в условиях окислительного стресса. Неферментативные антиоксиданты: аскорбат, токоферолы, витамин А, глутатион. Ферментативные антиоксиданты: СОД, каталаза, пероксидазы.

Модели окислительного стресса: клеточные модели, экзайтотоксические соединения, гипобарическая и нормобарическая гипоксия, экспериментальная ишемия мозга, SAM как модель окислительного стресса. Функциональные параметры окислительного стресса. Протекторные рецепторы. Na/K-АТФаза как мишень окислительного стресса. Na-насос регулирует образование АФК. Механизмы репарации биомакромолекул в условиях стресса. Отрицательные последствия антиоксидантной терапии. Всегда ли надо предотвращать смерть клетки? Карнозин - природный протектор клеток от окислительного стресса. Роль гистидиновых дипептидов в функции возбудимых структур. Карнозин и родственные соединения: биологические и физиологические эффекты, мембранопротекторное действие in vitro и in vivo.


Тема 10. Биогенез мембран. Мембранные патологии

Механизмы поддержания стабильности клеточных мембран. Мембранные белки: особенности синтеза и встраивания в мембрану, сигнальные последовательности в белках, сигнальные пептидазы, участие каналов во встраивание новообразованных белков в мембрану, сборка в мембране надмолекулярных комплексов, регуляция устойчивости и механизмы обновления мембранных белков. Биосинтез и транспорт мембранных липидов: где синтезируются мембранные липиды, источники жирных кислот, механизмы транспорта фосфолипидов и холестерина к месту встраивания. Роль липопротеинов и липид-переносящих белков.

Адаптационные механизмы изменения липидного состава мембран. Вовлечение клеточных мембран в развитие некоторых патологий. Окислительный стресс как основа нейродегенеративных заболеваний. Глутаматные рецепторы и эпилепсия. Опиодные рецепторы и алкоголизм. Рецепторы мозга при наркомании. Боковой амиотрофический склероз. Вовлечение АФК в деструкцию и смерть нейронов при паркинсонизме. Болезнь Альцгеймера и старческая деменция.

Способы защиты мозга от окислительного стресса. Перспективы терапевтического применения мультипотентных стволовых клеток


Контрольный вопрос: Механизмы стабилизации мембранных структур живой клетки


Темы для самостоятельных докладов на семинарах

  1. Принципы регуляции мембранных белков
  2. Как используется клеткой асимметрия мембранного бислоя
  3. Холестерин как регулятор мембранных ферментов
  4. Факторы, изменяющие микровязкость мембран и их участие в регуляции клеточных функций
  5. Возрастные изменения клеточных мембран
  6. Регуляция работы ионных каналов
  7. Na-насос - участие в регуляции клеточных функций
  8. Кальций как участник внутриклеточной сигнальной системы
  9. Роль глутаматных рецепторов в процессах «Long-term Potentiation»
  10. STAT – белки
  11. Механизм внутриклеточной сигнализации
  12. Окислительный стресс
  13. Двойственная роль АФК в клетках
  14. Как клетка нейтрализует окисленные белки (механизмы убиквитинилирования)
  15. Роль белков теплового шока
  16. Биологические функции NO
  17. Природные антиоксиданты – механизмы и способ действия
  18. Антиокисданты и нейродегенеративные процессы
  19. Участие апоптоза в регуляции длительности жизни клетки
  20. Изменения клеточных мембран при старении организма

Литература для самостоятельной подготовки

Обязательная:

  1. Авдонин П.В., Ткачук В.А. Рецепторы и внутриклеточный кальций. М. 1994.
  2. Ашмарин И.П., Ещенко Н.Д., Каразеева Е.Д. Нейрохимия в таблицах и схемах. 2007.
  3. Биомембранология (Болдырев А.А., Кярвяряйнен Е.И., Илюха В.А.), П. 2006.
  4. Болдырев А.А. Карнозин и защита тканей от окислительного стресса. М. 1999.
  5. Геннис Р., Биомембраны, 1999
  6. Гомазков О.А. Нейропептиды и стабильность мозга. 2005.
  7. Нейрохимия (Под ред. И.П. Ашмарина), 2001.
  8. Нейрохимия (Болдырев А.А. и соавт.). М. 2009.
  9. Ткачук В.А. Основы молекулярной эндокринологии. 1989.
  10. Neuroscience (Purves D. et al.), MS, USA, 2000.
  11. Signal transduction (Gomperts B. et al.), Elsevier, 2003.

Дополнительная:

  1. Болдырев А.А. Механизмы возбуждения, повреждения и гибели нейронов. Природа, 1998, №7, 10-18.
  2. Владимиров Ю.А. Свечение, сопровождающее биохимические реакции. Соросовский образовательный журнал, 1999, №6, 25-32.
  3. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке – добро и зло. Соросовский образовательный журнал, 1996, №3, 4-10.
  4. Скулачев В.П. Феноптоз – запрограммированная смерть организма. Биохимия, 1999, 64, 12, 1679-1788.
  5. Nature: Neurological disorders, 1999, 399 (Suppl.) #6738.
  6. Болдырев А.А. Матриксная функция биологических мембран. Соросовский образовательный журнал, 2001, №4, 2-9.
  7. Владимиров Ю.А. Кальциевые насосы живой клетки. Соросовский образовательный журнал, 1998, №3, 20-27.
  8. Гомазков О.А. Нейропептиды – универсальные регуляторы. Почему? В сб. «Российская наука – день нынешний и день грядущий». М. 1999. 195-206.
  9. Филлипов П.П. Как внешние сигналы передаются внутрь клетки. Соросовский образовательный журнал, 1998, №3, 28-34.
  10. Текущая информация из свежих научных журналов

Презентации 2008 года:

  1. Введение в проблему
  2. Биомембраны
  3. Трансформация энергии
  4. Роль липидов
  5. Синапсы
  6. Нервная и иммунная системы
  7. АФК и окислительный стресс
  8. Нейродегенерация
  9. Антиоксидантная система
  10. Природные механизмы защиты организма от окислительного стресса

Книги:

  1. Биомембранология, 2006г.
  2. Психология творчества
  3. "Нейрохимия" и "Экспериментальная нейрохимия", 2009 г.

2008 г.

версия для печати
Страница последний раз обновлялась 15.09.2010