1 Лекція на тему: “ ОСНОВИ МЕМБРАНОЛОГІЇ: СТРУТКУРА

1 Лекція на тему: “ ОСНОВИ МЕМБРАНОЛОГІЇ: СТРУТКУРА І ФУНКЦІЇ КЛІТИННИХ БІОМЕМБРАН. ВАКУОЛЯРНА СИСТЕМА КЛІТИН. ЛІПОСОМИ” МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ ’ Я УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ФАРМАЦЕВТИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Кафедра біології Лектор – доц. Рибак Вікторія Анатоліївна

2 План лекції: 1. Структура та функції біомембран. 2. Особливості хімічного складу біомембран. 3. Глікокалікс – поверхневий апарат клітини. 4. Лектини – вуглеводзв ’ язуючі білки. 5. Види міжклітинних контактів клітини та їх характеристика. 6. Вакуолярна система клітини. 7. Ліпосоми: поняття, власивості, використання в медицині, фармації та космтології.

3 БІОМЕМБРАНА • основний елемент клітинної організації, • основа структури і функцій всіх органів і тканин, • більшість клітинних органел має мембранні структури: ЕПС, КГ, мітохондрії, лізосоми, пероксисоми, пластиди, вакуолі, ядро та ін. , • відповідає за основні процеси життєдіяльності клітин, • регулює метаболічних шляхів клітини, • підтримує необхідну концентрацію речовин (іонів, метаболітів), • створює різницю електричних потенціалів на біомембрані, • бере участь у ферментативних процесах та ін.

4 Біомембрана – найважливіший компонент живої клітини

5 У 1972 р. Д. Ніколсон і С. Сінгер запропонували рідинно-мозаїчну модель біомембрани

6 Різновиди біологічних мембран Мембрани комплексу Гольджі товсті (6 -9 нм)Мембрани мітохондрій тонкі (5 нм)

7 Клітинні мембрани побудовані з ліпідів (фосфо- , гліколіпідів, холестерину) і білків

8 ХІМІЧНИЙ СКЛАД БІОМЕМБРАНИ ЕРИТРОЦИТУ • ~ 40% ліпідів, • ~ 52% білків, • ~ 8% вуглеводів

9 ЛІПІДИ БІОМЕМБРАНИ: • ФОСФОЛІПІДИ ( ~ 80%) – ЗАБЕЗПЕЧУЮТЬ УТВОРЕННЯ ПОДВІЙНОГО ШАРУ, ФОРМУВАННЯ ГІДРОФОБНОЇ ЗОНИ, НАПІВПРОНИКНІСТЬ ТА РУХОМІСТЬ МЕМБРАН КЛІТИН, ПОЛЕГШУЮТЬ ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН • ГЛІКОЛІПІДИ ( ~ 3 -15%) – ПРИЙМАЮТЬ УЧАСТЬ В РЕЦЕПТОРНІЙ ФУНКЦІЇ МЕМБРАНИ, УТВОРЕННІ ГЛІКОКАЛІКСУ • ХОЛЕСТЕРИН ( ~ 5%) – КІЛЬКІСНИЙ СКЛАД ХОЛЕСТЕРИНУ ВИЗНАЧАЄ СТУПІНЬ РИДИННОСТІ БІІШАРУ МЕМБРАНИ

10 Для мембран різних органел характерний неоднаковий білковий склад • Групи білків мембрани, які розташовані в одному місці і зв’язані один з одним, утворюють групи ( кластери ), що виконують загальну функцію, наприклад, транспорт електронів у дихальному ланцюгу мітохондрій. • Деякі мембранні білки фіксовані в бішарі м ікрофіламентами і мікротрубочками цитоскелета.

11 БІЛКИ БІОМЕМБРАНИ: Периферичні • рецепторні білки зовнішньої поверхні, • білки цитоскелету внутрішньої поверхні, • зв ‘ язуючі білки Інтегральні • рецепторні білки, • білки іонних каналів

12 Глікокалікс • розгалуженні ланцюжки переплітаються один з одним і утворюють каркас, до якого вбудовуються молекули білків • складається з олігосахаридів, ковалентно пов’язаних з глікопротеінами і глікопротеїдами біомембрани Функції глікокалікса : — міжклітинне розпізнавання, — міжклітинний взаємозв’язок, — пристінкове травлення

13 Олігосахариди у складі гліколіпідів і глікопептидів

14 Лектини (від лат. legere — збирати) – білки і глікопротеїни, що володіють здатністю високо-специфічно зв’язувати залишки вуглеводів на поверхні клітин, викликаючи їх аглютинацію. • Лектини беруть участь у клітинному розпізнаванні (деякі патогенні мікроорганізми використовують лектини для прикріплення до клітин пошкодженого організму. • Спочатку лектини були виділені з насіння рослин, однак вони знайдені у більшості живих організмів.

15 Лектини належать до дуже поширеної в природі групи вуглеводзв ’ язуючих білків • Вони володіють унікальною властивістю сприймати та розшифровувати інформацію, носіями якої є вуглеводи і вуглеводні залишки у складі інших макромолекул, зокрема поверхневих рецепторів клітинних мембран. • На цьому ґрунтується здатність лектинів до реакції специфічного розпізнавання, що реалізується у багатьох біологічних процесах, як в нормі, так і при патологічних станах.

16 Лектини складаються з субодиниць (ізолектинів), містять аспарагінову кислоту, серин і треонін, (часто містять іони металів) Лектини використовуються для: • визначення груп крові, • вивчення структури групових антигенів крові, • стимуляції лімфоцитів в культурі з метою цитогенетичного аналізу, вивчення поверхні нормальних і злоякісних клітин, • виділення та очистки глікопротеїдів за допомогою хроматографії.

17 Лектини на поверхні бактерії Вуглеводні ліки Лектинові ліки

18 Клітини сечового міхура обробили “вуглеводним лікарським засобом” проти кишкової палички (праворуч). Ліворуч – необроблені клітини

19 БІЛКИ БІОМЕМБРАНИ: Периферичні • рецепторні білки зовнішньої поверхні, • білки цитоскелету внутрішньої поверхні, • зв ‘ язуючі білки Інтегральні • рецепторні білки, • білки іонних каналів

20 ФУНКЦІЇ БІОМЕМБРАНИ: • обмежуюча; • формування гідрофобної зони; • бар ‘ єрна; • транспортна; • компартменталізація клітини; • утворення органел; • рецепторна; • утворення міжклітинних контактів; • енерготрансформуюча.

21 Міжклітинні контакти: • простий; • щільний замикальний; • десмосоми; • щілинний; • синаптичний.

22 Міжклітинні контакти 1. Простий (зближення мембран клітин на відстані 15 -20 нм; 2. Щільний замикальний є непроникним для молекул і іонів (злиття ділянок плазмолеми сусідніх клітин до 2 -3 нм; 3. Десмосоми – ділянки ущільнення між клітинами, які утворюють механічні зв’язки (контакт, до якого з боку цитоплазми контактуючих клітин підходять фібрилярні елементи цитоскелету;

24 Міжклітинні контакти: 4. Щілинний (нексус) – плазмитичні мембрани розділяються проміжком 2 -3 нм, область контакту має канали, що з ’єднують сусідні клітини, через які можуть обмінюватися невеликими молекулами, а також сигнальними ; 5. Синаптичний – це ділянки двох клітин, що спеціалізуються для передачі інформації від нейронів до клітин. Синапсами продукуються сигнальні молекули (адреналін, норадреналін, ацетилхолін), що діють на рецептори і викликають відповідь клітини. Зустрічається в спеціальних ділянках контакту між нейронами, утворює нервово-м ’язові і нервово-епітеліальні конаткти.

25 Вакуолярна система клітини • 1 — ядерна оболонка; • 2 — гранулярний ендоплазматичний ретикулум; • 3 — перехідна зона (ЕПР-КГ-комплекс); • 4 — перенос від ЕПР до КГ; • 5 — проксимальні ділянки КГ; • 6 — середня частина КГ; • 7 — дистальна частина КГ; • 8 — транс -мережа КГ; • 9 — поворотний шлях вакуолей КГ; • 10 — відділення первинних лізосом; • 11 — постійна екскреція (секреція); • 12 — сигнальна секреція; • 13 — ендоцитоз; • 14 — е ндосома; • 15 — вторинна лізосома; • 16 — повернення лізосомальних мембран; • 17 — повернення рецепторів до плазматичної мембрани; • 18 — гладенький ендоплазматичний ретикулум.

26 Ліпосоми (або ліпідні везикули) • Замкнені пухирці водного розчину, що оточені одним або декількома шарами ліпідів. • Вперше на них звернув увагу англійський дослідник у Алек Бангем з колегами у 1965 р.

27 Ліпосоми

28 Ліпосоми нагадають мембрани клітин. Молекули ліпідів складають ланцюжок, що складається з двох частин – водорозчинний і жиророзчинний. • Ліпосома — моделювання властивостей клітинних мембран – проникність для молекул води, іонів, а також вмісту клітин. • Використовують для вивчення дії на мембрани клітин вітамінів, гормонів, антибіотиків і ін. препаратів.

29 Ліпосомы : • одношарові, • багатошарові

30 У 1974 р. Грегорі Грегориадіс (Лондон) запропонував поміщувати в середину ліпосом лікарські препарати для їх транспортування до організму.

31 Властивості ліпосом • Спорідненість до природних мембранами клітин за їх складом. • Універсальність. • Завдяки напівсинтетичній природі можна змінювати їх розміри, фізичні характеристики, склад поверхні (це дозволяє «доручати» їм переносити широкий набір фармакологічноактивних речовин: протипухлинні і протимікробні препарати, гормони, ферменти, вакцини, а також додаткові джерела для клітини, генетичний матеріал і ін. • Відносно легко руйнуються в організмі, вивільняючи речовини, що доставляються, але шляхом слідування надійно вкривають свій вміст від контакту з імунною системою. • Не притаманні властивості антигену та не викликають захисних і алергійних реакцій організму.

32 Взаємодія ліпосом з клітинами 1. Ліпосоми адсорбуються на клітинній поверхні. Клітина може фагоцитувати або ендоцитувати ліпосому — з нею до клітини потрапляють речовини, що вона доставляє. 2. Ліпосоми можуть злитися з мембранами клітин і стати їх частиною. При цьому змінюються властивості клітинних мембран: в’язкість та проникність, величина електричного заряду.

33 Застосування ліпосом в косметології Крем “Каптюр”

34 Дослідження ліпосом • Експериментальна онкологія (дослідження цитотоксичних речовин). • Боротьба з інфекційними і протозойними захворюваннями (внутрішньоклітинний паразит – лейшманія (збудник лейшманіозу — лікування препаратами сурьми); мікоплазмозів, хламідіозів і захворювань грибкової етіології – криптококкозів).

35 Під керівництвом проф. А. Я. Циганенко вперше були отримані ліпсомальні форми антибіотиків: гентаміцину, тетрациклінів, рифампіцину, встановлена їх терапевтична ефективність.

36 Лекція на тему: “ ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОМЕМБРАНУ ”МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ ’ Я УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ ФАРМАЦЕВТИЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Кафедра біології Лектор – доц. Рибак Вікторія Анатоліївна

37 План лекції : 1. Транспортна функція біомембрани. 2. Пасивний транспорт речовин: механізми, види та приклади. 3. Активний транспорт речовин: механізми, види та приклади.

38 Рідинно-мозаїчна модель біомембрани Одна з найважливіших властивостей біомембрани пов’язана зі здатністю пропускати в клітину або з неї різні речовини. Це необхідно для підтримки постійності складу ( гомеостазу ) та метаболізму клітини.

39 Транспортна функція мембран Усі клітини потребують постійного притоку молекул та іонів із позаклітинної рідини. Транспорт здійснюється: • через плазматичну мембрану (глюкоза, Na+, Ca 2+), • через мембрани внутрішньоклітинних компартментів – ядра, ЕПР, Мх (білки, м. РНК, АТФ, Ca 2+)

40 Механізм транспорту речовин через мембрану залежить від розмірів частинок, що транспортуються. Малі молекули і іони проходять через мембрани шляхом пасивного і активного транспорту. Перенесення макромолекул і великих частинок здійснюється за рахунок утворення оточених мембраною пухирців і називається ендоцитозом або екзоцитозом.

41 Транспортування малих молекул відбувається на основі закономірностей, які пов ‘язані з різницею фізико-хімічних характеристик середовища у клітині та за її межами. Градієнт концентрації — це різниця концентрацій речовин по обидві сторони плазматичної мембрани. Мембранний потенціал — це різниця електричних зарядів. Обидва градієнти разом складають електрохімічний градієнт.

42 Неполярні молекули проникають через мембрану і рухаються стосовно концентрації: з речовини з більшим градієнтом до речовини з меншим градієнтом, до вирівнювання концентрації. Проникнення у клітину газів ( азоту, кисню ) та гідрофобних молекул ( бензолу ) не потребує ніяких особливих пристосувань.

43 ПАСИВНИЙ ТРАНСПОРТ забезпечує вибірковість проникнення речовин через мембрану завдяки градієнту концентрації без затрати енергії Механізми пасивного транспорту : • транспорт речовин за участю рухомих білків-переносників , які на одній поверхні мембрани приєднують транспортовану речовину, а на іншій вона звільняється; • перенесення речовин за рахунок зміни конфігурацій внутрішніх білків , що перетинають мембрану.

44 Дифузія — це процес, за допомогою якого речовини проникають крізь мембрану внаслідок хаотичного теплового руху молекул без затрати енергії за градієнтом концентрації полегшена дифузія – глюкоза, амінокислоти, деякі іони; проста дифузія – речовини, що добре розчиняються в жирах, кисень та вуглекислий газ; осмос – транспорт розчинника через напівпроникну мембрану. Вода здатна проходити спеціальні водяні канали, утворені білками-аквапоринами, і переносити молекули та іони розчинених в ній речовин.

45 ДИФУЗІЯ

46 Концентрація будь-якого водного розчину залежить від кількості розчиненої речовини, вода прагне переходити від більш розбавленого розчину до більш концентрованого (за градієнтом концентрації води) Ізотонічний розчин – розчин, концентрація якого однакова з внутрішньою концентрацією клітини; Гіпотонічний розчин – розчин з нижчою концентрацією порівняно з клітиною. Гіпертонічний розчин – це розчин , концентрація якого вище порівняно з внутрішньою концентрацією клітини; Осмотичний рух води залежить від: загальної концентрації усіх розчинених у воді частинок по обидві сторони мембрани; тиску, який створює кожний з цих розчинів.

47 Серед систем пасивного транспорту важливу роль відіграють іонні канали , які забезпечують проникність мембрани для Na + , K + , Ca 2+. • Na + — канали активуються вератрадином, батрахотоксином, блокуються амілоридом, тріамтереном; • K + — канали блокуються місцевими анестетиками (лідокаїном, дикаїном), деякими протисудомними (дифеніл, карбамазепін, вальпроати, фенобарбітал та ін. ) і протиаритмічними засобами (аміодарон); • Ca 2+ — канали чутливі до цілого ряду хімічних речовин, зокрема верапамілу, дилтіазему, ніфедипіну та інших похідних дигідропіридинів.

48 Трансмембранний обмін ( антипорт ) чи односпрямований транспорт ( симпорт ) іонів здійснюється спеціальними білками -переносниками. Система односпрямованого транспорту ( котранспорту ) представлена ( Na++ K++ Cl– ) -переносником, що є чутливим до дії діуретиків (фуросеміду, амілориду, туметаніду).

49 Виключення або різка зміна властивостей переносників і каналів лежить в основі дії багатьох токсичних і фармацевтичних речовин. Деякі речовини – іонофори, до яких належать різні антибіотики (валіноміцин, амфотерицин В, нонактин, енніатини, аламетицин та ін. ), синтетичні циклополіефіри самостійно здатні утворювати канали у ліпідному бішарі мембрани. Дія ряду лікарських препаратів заснована на зміні властивостей каналів і переносників, що дозволяє регулювати транспорт речовин у клітинах і організмі в цілому.

50 АКТИВНИХ ТРАНСПОРТ здійснюється проти градієнта їхньої концентрації із затратою енергії АТФ та за участю спеціальних мембранних білків – транспортних АТФаз , які також називаються іонними насосами Найбільш поширеними в клітині тварин є Н+ -АТФаза, Na+ , K+ -АТФаза і Са 2+ -АТФаза , які представляють собою цілі мембранні комплекси із складною структурою. Функціональне значення біологічних насосів полягає у підтримці всередині клітини постійного іонного складу. Na + , K+ -АТФаза сприяє виведенню Na+ з клітини та надходженню К + до клітини за допомогою енергії АТФ і є прикладом антипортного транспорту.

51Із впливом на натрієвий насос пов’язаний механізм дії деяких фармацевтичних препаратів: — серцеві глікозиди (дигоксин, уабаїн, строфантин К) пригнічують Na+ , K+ -АТФазу; — деякі діуретики (тіазиди) інгібують активний транспорт Na + та/або Cl- в епітелії канальців нирок; — омепразол знижує кислотність шлункового соку, незворотньо пригнічуючи протонний насос Н + -АТФазу парієтальних клітин шлунка. Са 2+ -АТФаза високочутлива до дії різноманітних тіолових отрут та ін.

52 ЕКЗОЦИТОЗ — процес виведення з клітини різноманітних речовин через мембрану, фактично зворотний ендоцитозу механізм Шляхом екзоцитозу вивільнюються: • гормони, • жирові краплини, • медіатори в синапсах при збудженні.

53 шляхом ендоцитозу, відбувається всмоктування жиру клітинами кишкового епітелію. ЕНДОЦИТОЗ плазматична мембрана утворює вирости, які потім перетворюються на внутрішньоклітинні пухирці, що містять захоплений клітиною матеріал. Ці процеси відбуваються з затратою енергії АТФ

54 фагоцитоз (грец. phagos – пожирати, cytos – клітина) – це захоплення і поглинання клітиною великих часток (іноді цілих клітин та їхніх частин); піноцитоз (грец. pyno – пити, cytos – клітина) – це процес поглинання клітиною рідини і розчинених з утворенням специфічних мембранних пухирців, опосередкований рецепторами ендоцитоз — поглинання з позаклітинної рідини певних макромолекул за участю мембранних рецепторів. Рецептори зв ‘ язують молекули й ініціюють відповідь. Рецептори — трансмембранні білки, що мають спеціальну ділянку для зв ‘ язування фізіологічно активних молекул (гормонів, нейромедіаторів).

55 Механізм транспорту макромолекул при піноцитозі та фагоцитозі

56 Таким чином, знання про особливості мембранного транспорту є дуже важливими для фармації, оскільки визначають не тільки шляхи проникнення всіх фармацевтичних препаратів до певних клітин, але й безпосередню дію багатьох з них.