Глава 7 Функция и структура мембраны Power Point

Глава 7 Функция и структура мембраны Power. Point® Lecture Presentations for Biology Eighth Edition Neil Campbell and Jane Reece Lectures by Chris Romero, updated by Erin Barley with contributions from Joan Sharp Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Обзор: Жизнь на Краю • Плазматическая мембрана это граница, которая отделяет живую клетку от окружающей среды • Плазма мембрана обладает избирательной проницаемостью, что позволяет некоторым веществам пересечь ее легче, чем другим Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -1

Концепция 7. 1: Клеточные мембраны и жидкостные мозаики липидов и белков • Фосфолипиды являются наиболее распространенными липидами в плазматической мембране • Фосфолипиды - амфипатические молекулы, содержащие гидрофобные и гидрофильные участки • Жидкостно мозаичная модель утверждает, что мембрана представляет собой жидкость, похожая на "мозаику" из различных белков, встроенных в него Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Мембранные модели: • Мембраны были химически анализированы и было выявлено что они состоят из липидов и белков • Ученые, изучающие плазматическую мембрану рассудили, что она должна состоять из двухслойного фосфолипида Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -2 Вода Гидрофильна я головка Гидрофобн ый хвостик Вода

Fig. 7 -3 Фосфолипид ный бислой Гидрофобная часть белка Гидрофильная часть белка

Fig. 7 -4 метод результат Внеклеточный слой нож Плазматическая мембрана Белки Цитоплазмическии слой Внутренняя часть внеклеточного слоя Внутренняя часть цитоплазмического слоя

Жидкостность мембраны • Фосфолипиды в плазматической мембране могут перемещаться в пределах бислой • Большинство липиды и некоторые белков могут двигаться в боковом направлении • В некоторых случаях фосфолипиды на верхнем и нижнем слое могут меняться местами. Этот механизм называется “флипфлоп” Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -5 Латеральное движение Флип-флоп (~107 раз за секунду) (~ раз в месяц) (a) Движение фосфолипидов Жидкий Вязкий ненасыщенный углеводородные хвосты с изломами Насыщенные углеводородные хвосты (b) Текучесть мембраны Холестерин (c) Холестерин в клеточной мембране животных

Fig. 7 -5 a Латеральное движение (~107 раз за секунду) (a) Movement of phospholipids Флип-флоп (~ раз в месяц)

Fig. 7 -6 Результат Мембранные белки Клетка мыши Клетка человека Гибридная клетка Смешанные белки после 1 часа

• Когда температура охлаждается, мембраны переключаются с жидкого состояния в твердое состояние • Температура, при которой мембрана затвердевает зависит от типов липидов • Мембраны, богатые ненасыщенными жирными кислотами, более жидкая, чем, богатые насыщенными жирными кислотами • Мембраны должна быть жидкой, чтобы работать должным образом; она обычно жидкая как растительное масло Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -5 b Жидкая ненасыщенный углеводородные хвосты с изломами (b) Текучесть мембраны Вязкая Насыщенные углеводородные хвосты

• Стероид холестерин имеет различные эффекты на мембранной текучести при различных температурах • При высокой температуре, (например, 37 ° C), холестерин сдерживает движение фосфолипидов • В прохладных температурах, она сохраняет текучесть, предотвращая плотную упаковку липидов Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -5 c Холестерин (c) Холестерин в плазматической мембране животной клетки

Мембранные белки и их функции • Мембрана представляет собой коллаж из различных белков, встроенных в жидкости матрицы липидного бислоя • Белки определяют наиболее специфические функций мембраны Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -7 Внеклеточный матрикс(ВКМ) Углевод Гликопротеин Гликолипид Внеклеточная сторона мембраны Холестерол Микрофиламенты цитоскелета Периферические белки Интегральные белки Цитоплазмическая сторона мембраны

• Периферические белки связаны с поверхностью мембраны • Интегральные белки пронизывают гидрофобный слой мембраны • Интегральные белки , которые пронизывают мембрану , называются трансмембранными белками. Гидрофобные участки белка состоит из одной или нескольких участков неполярных аминокислот, часто свернутые в альфа-спирали. Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -8 N-Конец C-Конец -спираль Внеклеточная сторона Цитоплазмическая сторона

• Шесть основных функций мембранных белков: • Транспорт • Ферментативная активность • Сигнальная трансдукция • Распознавание клеток • Межклеточное соединение • Прикрепление к цитоскелету и внеклеточному матриксу (ВКМ) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -9 Signaling molecule Enzymes ATP (a) Транспорт Receptor Signal transduction (b) Ферментативная активность (Сигнальная трансдукция (e) Межклеточное соединение (f) Прикрепление к цитоскелету и внеклеточному матриксу (ВКМ) Glycoprotein (d) Распознавание клеток

Fig. 7 -9 ac Signaling molecule Enzymes ATP (a) Транспорт Receptor Signal transduction (b) Ферментативная активность (c) Сигнальная трансдукция

Fig. 7 -9 df Гликопротеин (d) Клеточное распознавание (e) Межклеточное соединение (f) Прикрепление к цитоскелету и внеклеточному матриксу (ВКМ)

Роль внеклеточных углеводов в распознавании клеток • Клетки распознают друга путем связывания с поверхностными молекулами, часто углеводов, на плазматической мембране • Мембранные углеводы могут быть ковалентно связаны с липидами (гликолипиды) или чаще с белками (гликопротеины) • Углеводы на внешней стороне плазматической мембраны различаются у разных видов, и даже у различных видов клеток одного организма Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Синтез и односторонность мембран • Мембраны имеют ярко выраженные внутренние и внешние лица • Асимметричный распределение белков, липидов и углеводов связанных в плазматической мембране объясняется тем что, мембрана построена ЭС и аппаратом Гольджи Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -10 ЭС 1 Трансмембранные гликопротеины Секретируемые белки Гликолипид Аппарат 2 Гольджи Везикула 3 4 Секретированные белки Плазматическая мембрана: Цитоплазмическая сторона Внеклеточная сторона Трансмембранный гликопротеин Мембранные гликолипиды

Концепция 7. 2: Мембранные структуры приводит в избирательной проницаемостью • Клетка должна обмениваться материалов с окружающей средой, процесс, управляемый мембраной • Плазменные мембраны имеют избирательную проницаемость, регулирующий молекулярную транспорт в клетку Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Проницаемость мембраны • Гидрофобные (неполярные) молекулы, такие как углеводороды, могут растворяться в липидном бислое и проходить через мембрану быстро • Полярные молекулы, такие как сахара, не пересекают мембрану легко Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Транспортные белки • Транспортные белки обеспечивают прохождение гидрофильных веществ через мембрану • Некоторые транспортные белки, называемые протеиновые каналы, имеют гидрофильный канал, для того чтобы некоторые молекулы или ионы могли использовать его как туннель • Протеиновые каналы называемые аквапоринами облегчают прохождение воды Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

• Другие транспортные белки, называемые белки-транспортеры связываются с молекулами и изменить форму челнока который переносит их через мембрану Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Концепция 7. 3: Пассивная транспорт это диффузия веществ через мембрану, не нуждающаяся в энергии • Диффузия является тенденцией молекул распределяться равномерно в доступном пространстве • Несмотря на то, что каждая молекула движется случайным образом, диффузия популяции молекул могут проявлять чистое движение в одном направлении • В динамическом равновесии, движение молекул в обе противоположные стороны сравниваются Animation: Diffusion Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -11 a Краситель Мембрана (поперечный срез) ВОДА Диффузия (a) Диффузия одного растворенного вещества Равновесие

• Вещества диффундируют вниз по своему градиенту от высокой концентрации к низкой • Никакой усилии не требуется, чтобы переместить вещества вниз по градиенту концентрации • Диффузия вещества через биологическую мембрану является пассивным транспортом, потому что не идет затрата энергии клеткой Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -11 b Диффузия (b) Diffusion of two solutes Диффузия Равновесие

Эффект осмоса но водный баланс • Осмоса является диффузия воды через избирательно проницаемую мембрану • Вода диффундирует через мембрану из области низкой концентрации растворенного вещества в область более высокой концентрации растворенного вещества Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -12 Низкая концентрация гдюкозы Высокая концентрация глюкозы Одинаковая концентрация глюкозы H 2 O Избирательно проницаемая мембрана Осмос

Водный баланс клеток без стенок • Тоничность является способностью раствора, которая заставляет клетку, приобретать или терять воду • Изотоничный раствор: концентрация растворенного вещества является таким же, как в клетке; нет направленного потока воды через плазматическую мембрану • Гипертонический раствор: концентрация растворенного вещества больше, чем внутри клетки; клетка теряет воду • Гипотонический раствор: концентрации растворенного вещества меньше, чем внутри клетки; прирост клеточной воды Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -13 Гипотоническии раствор H 2 O Изотоническии раствор H 2 O Гипертоническии раствор H 2 O (a) Животная клетка Лизис H 2 O Нормальная H 2 O Скрюченный H 2 O (b) Растительная клетка В тургорном состоянии (нормальная) Вялый Плазмолиз

• Гипертонические или гипотонические среды создают осмотические проблемы для организмов • Осморегуляция, контроль водного баланса, является необходимой адаптацией к жизни в таких условиях • Протисты Paramecium, которые являются гипертоничными к окружающей среде, имеют сократительную вакуоль, которая действует как насос Video: Chlamydomonas Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings Video: Paramecium Vacuole

Fig. 7 -14 Наполненная вакуоль 50 µm (a) Сократительная вакуоль заполняется жидкостью, которая поступает от систем каналов излучающихся по всей цитоплазме. Сокращающяяся вакуоль (b) При полном, вакуоль и каналы сокращаются, выкачивая жидкость из клетки.

Водный баланс клеток со стенкой • Клеточные стенки помогают поддерживать водный баланс • Клетка растения в гипотоническом растворе набухает пока стена не выступает против поглощения веществ; клетка теперь напыщенный (в тургорном состоянии) • Если клетка растений и его окружающая среда изотонична, то нет чистого движение воды в клетку; клетка становится вялым, и растение может ослабеть Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

• В гипертонической среде, растительные клетки теряют воду; в конце концов, мембрана отрывается от стены, и летальный процесс называется плазмолизом Video: Plasmolysis Video: Turgid Elodea Animation: Osmosis Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Облегченная диффузия: Пассивный транспорт с помощью белков • В облегченной диффузии, транспортные белки убыстряют пассивное движение молекул через плазматическую мембрану • Каналовые белки обеспечивают коридоры, которые позволяют определенным молекулам или ионам пересечь мембрану • Белки каналы включают: • Аквапорины, для облегченной диффузии воды • Ионные каналы, которые открываются или закрываются в ответ на раздражитель (воротные каналы) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -15 Внеклеточная среда Белковые каналы вещество цитоплазма (a) Белковые каналы Белки переносчики (b) Белки переносчики вещество

• Белки-переносчики претерпевают некоторые изменения в форме, в процессе чего сайт звязывание с транспортируемым веществом переносится на другую часть мембраны Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

• Некоторые болезни вызваны неполадками в конкретных транспортных систем, например, цистинурия заболеваниях почек

Концепция 7. 4: Активный транспорт использует энергию для перемещения растворенных веществ против их градиента • Облегченная диффузия по-прежнему является пассивной, потому что растворенное вещество движется вниз по его градиенту концентрации • Некоторые транспортные белки, однако, могут транспортировать растворенные вещества против своих градиентов концентрации Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Нужда в энергии при активном транспорте • Активный транспорт движет вещества против градиента их концентрации • Активный транспорт требует энергии, как правило, в виде АТФ • Активный транспорт осуществляется специфическими белками, встроенных в мембрану Animation: Active Transport Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

• Активный транспорт позволяет клетке поддержавать градиент концентрации веществ, которые отличаются от окружающей среды • Натрии-калиевый насос является одним из видов активного транспортной системы Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -16 -1 Внеклеточная среда [Na+] много [K+] мало Na+ цитоплазма Na+ [Na+] мало [K+] много 1 цитоплазмическии натрии присоединяется к натрии-калиевому насосу.

Fig. 7 -16 -2 Na+ Na+ P ADP ATP 2 связывания натрия вызывает фосфорилирование молекулой АТФ.

Fig. 7 -16 -3 Na+ Na+ P Фосфорилирования 3 вызывают изменение в 3 сруктуре белка в процессе которого Na+, будет транспортирован наружи.

Fig. 7 -16 -4 K+ K+ P 4 K+ прикрепляется с внеклеточной стороны что отсоединяет фосфат от белка P

Fig. 7 -16 -5 K+ K+ 5 Потеря фосфатной группы возвращает первоначальную форму белка

Fig. 7 -16 -6 K+ K+ 6 K+ отсоединяется от белка и цикл повторяется.

Fig. 7 -17 Пассивный транспорт Активный транспорт ATP Диффузия Облегченная диффузия

Как ионные насосы поддерживают мембранный потенциал • Мембранный потенциал - разность напряжений через мембрану • Напряжение создается различиями в распределении положительных и отрицательных ионов Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

• Две комбинированных сил, в совокупности называются электрохимическим градиентом, которая приводит к диффузии ионов через мембрану: • Химическая сила (градиент концентрации иона) • Электрическая сила (эффект мембранного потенциала на движение иона) Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

• Электрогенный насос является транспортным белком, который генерирует напряжение через мембрану • Натрии-калиевый насос является основным электрогенным насосом животных клеток • Основной электрогенным насосом растений, грибов и бактерий является протонный насос Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -18 – ATP – + H+ H+ Протонный насос H+ – цитоплазма Внеклеточная среда + + – – H+ H+ + + H+

Cotransport: Coupled Transport by a Membrane Protein • Cotransport occurs when active transport of a solute indirectly drives transport of another solute • Plants commonly use the gradient of hydrogen ions generated by proton pumps to drive active transport of nutrients into the cell Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -19 – + ATP – H+ H+ + Proton pump H+ H+ – H+ + – + Sucrose-H+ cotransporter H+ H+ Diffusion of H+ H+ Sucrose – – + + Sucrose

Концепция 7, 5: перевозки крупных веществ через плазматическую мембрану происходит путем экзоцитоза и эндоцитоза • малые молекулы и вода могут выходить и заходить в клетку через липидный бислой или через транспортные белки • Большие молекулы, такие как полисахариды или белки, пересекают мембрану в виде масс с помощью везикул • Транспорт крупных веществ требует энергию Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Экзоцитоз • В экзоцитоза, транспортные пузырьки мигрируют к мембране, сливаются с ней, и освобождают их содержимое • Многие секреторных клетки используют экзоцитоз чтобы экспортировать определенные вещества Animation: Exocytosis Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Эндоцитоз • Эндоцитоз является противоположным процессом экзоцитоза, с участием различных белков • Есть три типа эндоцитоза: • Фагоцитоз (”клеточное питание") • Пиноцитоз (”клеточное питье") • Рецептор-опосредованный эндоцитоз Animation: Exocytosis and Endocytosis Introduction Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

• При фагоцитозе клетка поглощает частицу в вакуоли • Вакуоль сливается с лизосомы, чтобы переварить частицу Animation: Phagocytosis Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -20 a Фагоцитоз Внеклеточная среда 1 µm цитоплазма псевдоподия Псевдоподия амебы Пища в виде частицы бактерия Пищевая вакуоль Поглощение бактерии амебой с помощью фагоцитоза

• В пиноцитоза, внеклеточная жидкость с веществом проглатывается клеткой образуя пузырек Animation: Pinocytosis

Fig. 7 -20 b Пиноцитоз 0. 5 µm Плазмати ческая мембрана Pinocytosis vesicles forming (arrows) in a cell lining a small blood vessel (TEM) везикула

• В рецепторо-опосредованном эндоцитоза, связывание лигандов(веществ) с рецепторами вызывает образование пузырьков • Лиганд это любая молекула, которая специфически связывается с рецептором сайта другой молекулы Animation: Receptor-Mediated Endocytosis Copyright © 2008 Pearson Education, Inc. , publishing as Pearson Benjamin Cummings

Fig. 7 -20 c РЕЦЕПТОРО-ОПОСРЕДОВАННЫЙ ЭНДОЦИТОЗ Покровные белки Рецептор Покрытая ямка Ligand Покро вные белки мембрана 0. 25 µm Покрытая везикула