Сенсорные системы 1 Основные наноструктурные компоненты клетки и

Сенсорные системы 1. Основные наноструктурные компоненты клетки и их функции 2. Рецепция и преобразование внешних сигналов в клетке. 3. Механизмы фоторецепции 3. 1. Зрительный родопсин и первичные механизмы фоторецепции 3. 2. Фоторецепторные клетки. Палочки и колбочки. Структурные механизмы восприятия цветного зрения. 3. 3. Усилительные каскады и обратные связи в фоторецепторной клетке под действием света 3. 4. Связь с фоторецепторных клеток с нейронами и первичный анализ световой информации 4. Механизмы обонятельной рецепции 4. 1. Строение (макроструктура) обонятельных рецепторов 4. 2. Молекулярные механизмы обонятельной рецепции 4. 3. Передача информации от обонятельных рецепторов нейронам и ее анализ с помощью нейронных сетей 5. Рецепция гормонов и токсинов. 6. Проблемы моделирования рецепторных систем

Сенсорные органы и их связь с головным и спинным мозгом

Назальный эпителий. Область носа, которая лежит выше назальной полости, содержит около миллиона сенсорных нейронов. Нервные импульсы, возникающие при связывании молекул одоранта рецепторами в ресничках, передаются по сенсорным нейронам в обонятельную луковицу

Каскад трансдукции обонятельного сигнала. Связывание одоранта рецептором активирует распространение сигнала аналогично отклику на связывание гормонов со своими рецепторами. Конечным результатом является открытие ц-АМФ зависимых ионных каналов и генерация потенциала действия Большинство ключевых процессов в сенсорных системах осуществляется с помощью мембранных белков

Липиды и липидные мембраны 1. Биомембраны образуют границы клеток и являются барьерами, которые препятствуют выходу содержимого клетки и входу ненужных молекул извне. Они также содержат системы для транспорта нужных молекул и ионов. 2. БМ являются плоскими структурами толщиной в две молекулы липидов (общей толщиной 6 -10 нм). 3. БМ состоят главным образом из липидов и белков с массовым отношением L/P в интервале 1: 4 – 4: 1. 4. Белки выполняют важнейшие функции БМ: молекулярных насосов, каналов, рецепторов, преобразователей энергии, ферментов. Мембранные белки встроены в липидные бислои, которые обеспечивают оптимальную среду для их действия 5. БМ образуются за счет кооперативных нековалентных взаимодействий 6. БМ асимметричны: два монослоя отличаются по липидному и белковому составу 7. БМ являются анизотропными, но жидкими структурами. Молекулы липидов, как и белки, быстро диффундируют в плоскости мембраны, но очень медленно реориентируются вокруг осей, лежащих в плоскости мембраны 8. Большинство клеточных мембран электрически поляризованы – минус внутри клетки (около 60 мв). Мембранный потенциал играет ключевую роль в транспорте, преобразовании энергии и возбудимости нейронов.

Lipids and lipid membranes

Самоорганизация липидных структур d – диаметр полярной группы l - длина ацильной цепи d/I >1 Ионизированные жирные кислоты легко образуют мицеллы в отличие от фосфолипидов , которые образуют Бимолекулярные слои в водных средах d/l ≈ 1 d/l < 1 Обращенные мицеллы

Образование липосом из фосфолипидов Идеализированная (А) и близкая к реальности (В) структура жидкого бислоя

Коэффициенты проницаемости ионов и молекул через липидный бислой Проницаемость P=D/2 h D- коэффициент диффузии, 2 h – толщина бислоя

Уравнения Зафмана-Дельбрюка DR =k. T/4πa 2 hη η-вязкость мембраны h- толщина мембраны DL=k. T/4πηh·(ln(ηh/ηwa) – γ) γ=0. 5772 DL≈ 10 -7 s-1

Быстрая латеральная диффузия липидов и белков в мембране была обнаружена и изучена с помощью флуоресцентной микроскопии методом восстановления флуоресценции после фотовыцветания (FRAP). S=(4 Dt)1/2 DL/DR= a 2 (ln k. T/4πa 3ηw-γ) Bacteriorhodopsin a≈4. 3 nm

Многие мембранные процессы: транспорт, рецепция, преобразование внешних сигналов и энергии зависят от подвижности мембранных липидов, которая в свою очередь зависит от свойств цепей жирных кислот. Переход от упорядоченного твердого(гель) состояния к менее упорядоченному жидкокристаллическому состоянию имеет характер фазового перехода (плавления)

Большинство интегральных мембранных белков пересекают весь бислой. Периферические белки связываются с поверхностью интегральных мембранных белков или полярных голов липидов

Интегральные белки пересекают мембрану в виде α-спиралей, положение которых в структуре белка может быть предсказано исходя из аминокислотной последовательности Структура бактериородопсина (BR). BR состоит в основном из α-спиралей. (B) Вид со стороны цитоплазмы

Каналообразующий белок порин построен почти полностью из β-стрендов (показан один мономер тримерного белка)

Аминокислотная последовательность порина. Гидрофобные и гидрофильные АК находятся в соседних положениях β- стренда. Диагональные линии показывают направление Н-связей вдоль β-листа. Гидрофобные остатки (окрашены желтым цветом) стремятся находиться на наружной поверхности белка в контакте с гидрофобным ядром мембраны.

Распределение аминокислот в порине. Наружная часть белка, которая контактирует с гидрофобными группами мембраны, покрыта в основном гидрофобными остатками, тогда как центр представляет собой канал, заполненный водой, выложен полярными аминокислотами

Мембранные каналы и насосы Селективная проницаемость БМ обеспечивается двумя классами мембранных белков: насосами и каналами. Насосы используют источник свободной энергии – гидролиз АТФ или других макроэргических фосфатов или энергию света (бактериородопсин), чтобы переносить ионы или молекулы через мембрану против градиента их концентраций (активный транспорт). Каналы делают возможным быстрый перенос ионов и молекул по градиенту концентраций (пассивный транспорт или облегченная диффузия).

Все биологические мембраны структурно и функционально асимметричны. Внешняя и внутренняя поверхности БМ имеют разные компоненты и разную ферментативную активность. Типичным примером является молекулярный насос, который регулирует концентрации Na+ и K+ в клетках. Он содержится в плазматическх мембранах практически всех клеток высших организмов.

Неодинаковые концентрации ионов или молекул по обе стороны мембраны представляют собой неравновесное состояние с повышенной свободной энергией, т. к. минимум св. энергии соответствует одинаковым концентрациям. В частности , свободная энергия переноса незаряженной молекулы от концентрации с1 к с2 соответствует изменению энергии на один моль : ΔG =RT ln(c 2/c 1) Для заряженных молекул (ионов) неодинаковые концентрации генерируют наряду с разностью химических потенциалов еще разность электрических потенциалов, так что полное изменение свободной энергии при переносе молекулы из 1 в 2 есть : ΔG=RT ln(c 2/c 1) +z. FΔV Транспорт является активным, т. е. требует затраты энергии если ΔG >0 и пассивным, если ΔG < 0.

Внеклеточные концентрации ионов примерно такие, как в морской воде. Однако, клетки должны поддерживать внутриклеточные концентрации ионов, чтобы предотвратить нежелательное воздействие больших концентраций, например, ионов Са или ускорить другие процессы. Большинство клеток животных имеют высокие внутриклеточные концентрации К и низкие концентрации ионов Na относительно внешней среды. Эти ионные градиенты создаются и поддерживаются cпециальными транспортными ферментами - Na, K- АТФазами, которые за счет энергии гидролиза АТФ переносят ионы против градиента их концентраций. Концентрации Na снаружи и внутри клетки соответственно 143 и 4 м. М, а ионов К 4 и 157 м. М. При мембранном потенциале -50 m. V и температуре 37 С свободная энергия переноса 3 молей Na из клетки и 2 молей К в клетку +36. 9 кдж/моль (+8. 8 ккал/моль). Гидролиз одной молекулы АТФ дает достаточно св. энергии для одного транспортного цикла - 50 кдж/моль (12 ккал/моль). Примерно треть всех синтезируемых молекул АТФ используется для создания этих градиентов, которые необходимы для поддержания объема клетки, возбудимости клеток нейронов и мышц, транспорта сахаров и аминокислот.

МЕМБРАННЫЕ НАСОСЫ Простая схема активного переноса молекулы через мембрану. Насос переходит между двумя конформациями, в каждой из них имеются центры связывания, доступные для различных сторон мембраны

Са-АТФаза 110 к. Да, 10α-спиралей в Т-домене Полная структура Са-АТФазы. Два иона Са находятся в центре трансмембранного домена. Консервативный остаток аспартата (Асп 351), который связывается с фосфорильной группой от АТФ, лежит в Р-домене. N-домен связывает АТФ, А-домен передает конформационные изменения на А и N-доменах к трансмембранному домену

Механизм переноса ионов Са через мембрану включает : (1) связывание ионов Са из цитоплазмы (2) связывание АТФ (3) расщепление АТФ с переносом фосфорильной группы на Асп 351 в Р-домене (4) диссоциация АДФ и конформационный переход в ферменте для диссоциации ионов Са на противоположную сторону мембраны (5) гидролиз фосфориласпартата (6) конформационный переход в исходное состояние, способное связывать ионы Са из цитоплазмы

Насосы транспортируют ионы через мембрану со скоростями ~ 1000 ионов/сек Другие мембранные белки, т. н. ионные каналы, за счет пассивного транспорта способны переносить ионы со скоростями в 1000 раз большими. Такие скорости приближаются к cкоростям свободной диффузии в водном растворе. Однако, насосы являются не просто полыми трубками – это молекулярные машины, которые управляются физическими или химическими воздействиями и в результате претерпевают конформационные переходы. .

Нервный импульс. Исходно мембрана нейрона поляризована: избыток Na снаружи, избыток К внутри –потенциал -60 m. V. Нервный импульс генерируется, когда мембранный потенциал деполяризуется до ~-40 m. V. М. П. становится положительным за милисекунды достигая +30 m. V и снова возвращается к отрицательным значениям. Эта усиленная деполяризация распространяется вдоль нейрона. Деполяризация мембраны ниже порогового значения приводит к увеличению проницаемости к ионам Na, что приводит к току Na внутрь и дальнейшей деполяризации вплоть до +30 мв. При достижении этого потенциала спонтанно Потенциал действия распространяется по нейронам вследствие последовательной уменьшается проницаемость ионов Na и деполяризации и реполяризации мембраны Увеличивается проницаемость К и потенциал возвращается к отрицательному значению. Модель потенциала действия предполагает существование потенциалозависимых ионспецифичных каналов для ионов Na и К.

Ионный канал для ионов К состоит из 4 х идентичных субъединиц и имеет форму конуса с широким отверстием внутри клетки.

Структура К ионного канала позволяет понять природу его специфичности Ион К проходит 22 А через мембрану в гидратированном состоянии, после чего пора сужается до 3 А и ион К дегидратируется и связывается с карбонильными группами аминокислот

Селективный фильтр в К ионном канале

Ключевой момент – потеря энергии за счет дегидратации К компенсируется взаимодействием с атомами О карбонилов, которые расположены так, что не взаимодействуют с ионами Na, ионный радиус которых слишком мал В результате ионы Na не дегидратируются и не проходят через сужение ионного канала

Структура калиевого ионного канала объясняет быструю скорость транспорта К Фильтр селективности имеет 4 центра связывания. Гидратированные ионы К могут последовательно связываться с этими центрами, теряя свои гидратные оболочки. Если два иона занимают соседние места, электростатическое взаимодействие их отталкивает. Т. О. , если ионы входят в канал с одной стороны , они выталкивают другие ионы К на другую сторону мембраны. Такой механизм многочастичного связывания разрешает парадокс высокой селективности и быструю скорость транспорта

Структура потенциалозависимого К канала А- вид через пору. В- Вид сбоку Положительно заряженная область S 4 лежит вне канала в основании поры и является потенциалочувствительным сенсором. Управление каналом с помощью потенциала требует значительных конформационных изменений в специфических доменах ионного канала.

Модель управления ионным каналом с помощью потенциала В закрытом состоянии “лопатки” находятся в положении “down” При деполяризации мембраны “лопатки” проходят через мембрану в положение “up”. В этом положении они раздвигают четыре основания поры, увеличивая доступ к селективному фильтру и открывая канал.

Механизм быстрой инактивации ионных каналов

1. Появление сигнальной молекулы –первичного мессенджера (напр. рана, переваривание еды и др. ) 2. Рецепция сигнальной молекулы 3. Передача сигнала внутрь клетки с помощью второго мессенджера, концентрация которого изменяется в результате взаимодействия сигнальной молекулы с рецептором (циклический АМФ, циклический ГМФ, ионы Са и др. ) Усиление: один рецептор генерирует много вторичных мессенджеров 4. Активация эффекторов, которые непосредственно изменяют физиологический отклик. Конечный эффект внешнего сигнала – активация (или ингибирование насосов, ионных каналов, ферментов, факторов транскрипции генов 5. Окончание действия сигнала необходимо для приема следующих сигналов и сохранения клетки. Отсутствие терминации – в случае действия токсинов, развития ракового процесса

Структура 7 -ТМ рецепторов В – трехмерная структура родопсина

Активация протеинкиназы А с использованием G-белков. Связывание гормона (адреналина) инициирует преобразование (трансдукцию) сигнала через G-белок и ц-АМФ к активации ПК-А

Сетчатка человека содержит 3 106 колбочек и 108 палочек. Одна палочка производит отклик на один фотон. 10 таких откликов необходимо для мозга чтобы зарегистрировать вспышку света

Клетки палочек (rod cells)

Светоиндуцированное понижение уровня Са координирует восстановление к исходному состоянию. Зрительная система реагирует на изменения света и цвета за 1/1000 сек. Чтобы достичь такого быстрого отклика, сигнал должен заканчиваться быстро и система возвращаться в исходное состояние. Для этого, во первых, нужно блокировать активирование трансдуцина (Т) активированным родопсином (Р). Родопсин киназа катализирует фосфорилирование Р по сериновым и треониновым остаткам. После этого аррестин связывается с фосфорилированным Р, препятствуя взаимодействию Р с Т. Во вторых, а-субъединицу Т нужно вернуть в исходное неактивное состояние. Наконец, нужно увеличить уровень ц-ГМФ, что делает ГЦ, катализируя первращение ГТФ в ц-ГМФ. Увеличение ц-ГМФ приходит к открыванию ц-ГМФ акивируемых каналов

Са играет существенную роль в регуляции активности гуанилат циклазы (ГЦ), ингибируя активность фермента. В темноте Са и Na входят в наружный сегмент палочек через ц-ГМФ активируемые ионные каналы. Вход Са уравновешивается выходом через ионообменник – транспортную систему которая использует термодинамически выгодный вход 4 Na и выход одного К, чтобы обеспечить выход одного иона Са. После освещения вход Са через ц-ГМФ каналы прекращается, но выход Са продолжается. В результате концентрация Са падает от 500 н. M до 50 н. M. Это стимулирует активность ГЦ , которая быстро восстанавливает уровень ц-ГМФ, что приводит к открытию ц-ГМФ активируемых Са каналов. Активация родопсина приводит к гидролизу ц-ГМФ, что вызывает закрытие ионного Канала и генерацию потенциала действия