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
- Принципы регуляции мембранных белков
- Как используется клеткой асимметрия мембранного бислоя
- Холестерин как регулятор мембранных ферментов
- Факторы, изменяющие микровязкость мембран и их участие в регуляции клеточных функций
- Возрастные изменения клеточных мембран
- Регуляция работы ионных каналов
- Na-насос - участие в регуляции клеточных функций
- Кальций как участник внутриклеточной сигнальной системы
- Роль глутаматных рецепторов в процессах 'Long-term Potentiation'
- STAT - белки
- Механизм внутриклеточной сигнализации
- Окислительный стресс
- Двойственная роль АФК в клетках
- Как клетка нейтрализует окисленные белки (механизмы убиквитинилирования)
- Роль белков теплового шока
- Биологические функции NO
- Природные антиоксиданты - механизмы и способ действия
- Антиокисданты и нейродегенеративные процессы
- Участие апоптоза в регуляции длительности жизни клетки
- Изменения клеточных мембран при старении организма
Литература для самостоятельной подготовки
Обязательная:
- Авдонин П.В., Ткачук В.А. Рецепторы и внутриклеточный кальций. М. 1994.
- Ашмарин И.П., Ещенко Н.Д., Каразеева Е.Д. Нейрохимия в таблицах и схемах. 2007.
- Биомембранология (Болдырев А.А., Кярвяряйнен Е.И., Илюха В.А.), П. 2006.
- Болдырев А.А. Карнозин и защита тканей от окислительного стресса. М. 1999.
- Геннис Р., Биомембраны, 1999
- Гомазков О.А. Нейропептиды и стабильность мозга. 2005.
- Нейрохимия (Под ред. И.П. Ашмарина), 2001.
- Нейрохимия (Болдырев А.А. и соавт.). М. 2009.
- Ткачук В.А. Основы молекулярной эндокринологии. 1989.
- Neuroscience (Purves D. et al.), MS, USA, 2000.
- Signal transduction (Gomperts B. et al.), Elsevier, 2003.
Дополнительная:
- Болдырев А.А. Механизмы возбуждения, повреждения и гибели нейронов. Природа, 1998, ?7, 10-18.
- Владимиров Ю.А. Свечение, сопровождающее биохимические реакции. Соросовский образовательный журнал, 1999, ?6, 25-32.
- Скулачев В.П. Кислород в живой клетке - добро и зло. Соросовский образовательный журнал, 1996, ?3, 4-10.
- Скулачев В.П. Феноптоз - запрограммированная смерть организма. Биохимия, 1999, 64, 12, 1679-1788.
- Nature: Neurological disorders, 1999, 399 (Suppl.) #6738.
- Болдырев А.А. Матриксная функция биологических мембран. Соросовский образовательный журнал, 2001, ?4, 2-9.
- Владимиров Ю.А. Кальциевые насосы живой клетки. Соросовский образовательный журнал, 1998, ?3, 20-27.
- Гомазков О.А. Нейропептиды - универсальные регуляторы. Почему? В сб. 'Российская наука - день нынешний и день грядущий'. М. 1999. 195-206.
- Филлипов П.П. Как внешние сигналы передаются внутрь клетки. Соросовский образовательный журнал, 1998, ?3, 28-34.
- Текущая информация из свежих научных журналов
Презентации 2008 года:
- Введение в проблему
- Биомембраны
- Трансформация энергии
- Роль липидов
- Синапсы
- Нервная и иммунная системы
- АФК и окислительный стресс
- Нейродегенерация
- Антиоксидантная система
- Природные механизмы защиты организма от окислительного стресса
Книги:
- Биомембранология, 2006г.
- Психология творчества
- "Нейрохимия" и "Экспериментальная нейрохимия", 2009 г.
2008 г.
версия для печати
Страница последний раз обновлялась 15.09.2010