БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ А М Голенда Лекция 1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ А. М. Голенда Лекция 1

ПЛАН ЛЕКЦИИ: n n n 1. Основные функции биологических мембран 2. Состав мембран: 2. 1. Липиды 2. 2. Белки 2. 3. Углеводы 3. Транспорт веществ через мембраны 2

ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН 1. Барьерная (клетки, компартменты). 2. Селективный транспорт веществ. 3. Трансмиттеры регуляторных сигналов. 4. Преобразователи энергии (ДЦ → ТМП → АТФ). 5. Формирование тканей и органов. 3

4

Жидкостно-мозаичная модель мембраны (С. Сингер, Дж. Никольсон, 1972) 5

ЛИПИДЫ МЕМБРАН Количество липидов в мембранах различно: от 22% во внутренней мембране митохондрий до 80% в миелине 6

Дифильность фосфолипидов Наиболее часто встречающиеся ФЛ построены по единому плану. Делятся на две неравные части: небольшую "голову", состоящую из полярных групп, и длинные "хвосты" углеводородных цепей жирных кислот (насыщенной и ненасыщенной), направленных в одну сторону. Например: 7

Модель пальмитиновой кислоты (насыщенная) Lodish Н. et al. , 2004 8

Фрагменты ненасыщенных жирных кислот 9

Модель олеиновой кислоты Lodish Н. et al. , 2004 10

11

12

Асимметрия липидов мембран 13

14

Холестерол Рис. : А. Болдырев и соавт. , 2006. 15

16

17

продолжение 18

Эритроцит – удачная модель исследования мембран 19

Достоинства модели: 1. Эритроциты можно получать в больших количествах. 2. Не соединены с другими клетками – легко выделять. 3. Имеют только плазматическую мембрану. 4. В гипотоническом растворе легко образуются «тени» эритроцитов. 5. Имеется возможность из «теней» эритроцитов получать вывернутые везикулы и исследовать как наружную, так и внутреннюю поверхность мембраны. 20

Фотографии, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа. 21

22

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ Белки, включённые в липиды мембран, придают ей мозаичность и являются главными функционерами. n n Соотношение белок/липид различно и в большой степени отражает функциональную активность мембраны. 23

Примеры соотношений белок/липид в мембранах 24

Локализация белков в мембране 25

Интегральные белки Имеют много неполярных аминокислот, образующих внутримембранные домены. Подразделяются: 26

Поверхностные белки Могут присоединяться за счёт полярных групп её поверхности (1), или небольшого «якоря» неполярных аминокислот (2) Например: Цитохром С, многие ферменты ЦТК и гликолиза. 27

По функциям белки мембран можно разделить на 2 обширные группы: 28

Спектрин – белок, связанный с мембраной Основной белок цитоскелета эритроцитов. На него приходится около 30% массы мембранных белков. Фибриллы спектрина образуют сеть, соединённую с актиновыми олигомерами и выстилающую внутреннюю поверхность мембраны. Это обеспечивает двояковогнутую форму эритроцита. На рисунке спектрин выглядит, как маленькие серые, зеленые, желтые и голубые шарики. 29

Спектрин Под действием наружного давления могут разрываться связи и между молекулами самого спектрина, и в местах его контакта с мембраной. Разрывы связей приводят к переходу клеток в «полужидкое» состояние, позволяющее им перемещаться по самым тонким капиллярам. 30

УГЛЕВОДЫ МЕМБРАН n Содержание углеводов в мембранах вариабельно и составляет от 2 до 10%. n Углеводы являются составными частями сложных молекул: гликопротеины и гликолипиды. Углеводные компоненты могут быть моно-, олиго- или гетерополисахаридами, соединёнными - О – или N-гликозидными связями. n 31

Углеводные компоненты, как правило, открываются во внешнюю среду, образуя гликокаликс, основными функциями которого является участие в: 1) обеспечении межклеточных контактов; 2) поддержании иммунного статуса клетки; 3) рецепции сигнальных молекул. 32

Интегрины (гликопротеины) n n n Интегрины – суперсемейство молекул трансмембранных белков, связывающих межклеточный матрикс с цитоскелетом. Являются тканеобразующими (определяют морфологию и обеспечивают клеточные контакты). Обнаружены в мембранах большинства типов клеток. Специфичность связывания интегрина зависит от комбинаций субъединиц и внеклеточного окружения. 33

Схема работы интегринов 34

http: //www. uic. edu/classes/bios 100/f 06 pm/integrin. jpg 35

ГЛИКОФОРИН (гликопротеин) Битопический белок эритроцитов человека. Это первый мембранный белок, для которого была установлена аминокислотная последовательность (131 АК). 40% его массы приходится на белок и 60% на углеводы (придают клетке отрицательный заряд). Идентифицировано несколько типов гликофоринов. Их полиморфизм определяет антигенные свойства эритроцитов. 36

Транспорт веществ через мембраны n n Наиболее простой способ проникновения соприкасающихся веществ друга называется диффузией (от лат. diffusio — распространение, растекание). Его направление определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны (градиентом концентрации). концентрации 37

ПРОСТАЯ ДИФФУЗИЯ это самопроизвольный переход веществ по градиенту концентрации. Пример пассивного транспорта. Таким путём в клетку проникают неполярные (гидрофобные) соединения , и мелкие полярные незаряженные молекулы (например: О 2, СО 2, мочевина. . . ). 38

ОБЛЕГЧЁННАЯ ДИФФУЗИЯ это движение молекул с помощью транспортных белков по градиенту концентрации. 39

Характеристика облегчённой диффузии n Высокая скорость перемещения частиц. n Избирательность. n Регулируемость. 40

41

42

продолжение К белкам-переносчикам относятся различные транслоказы. В качестве примера приведём транспортёры глюкозы = ГЛЮТы (их роль и варианты рассмотрены в разделе «Обмен углеводов» ). Из плазматической мембраны эритроцитов выделен и изучен ГЛЮТ-1. Он содержит 492 аминокислотных остатка, 12 гидрофобных трансмембранных фрагментов (политопический белок), соединённых полярными участками, контактирующими с водной средой. Скорость работы – около 900 раз/с. 43

44

БЕЛКИ-КАНАЛЫ Другим приёмом облегчённой диффузии является использование каналов (пор) для транспорта веществ. Белки, пронизывающие липидный бислой, формируют каналы. Когда последние открыты, молекулы специфических веществ проходят сквозь них и, следовательно, через мембрану. 45

продолжение К середине 20 -го века были известны десятки каналов, переносящих, в основном, неорганические ионы подходящего размера и заряда (ионселективные каналы). Но отсутствовали сведения о водных каналах, хотя их существование предполагалось давно (во многих случаях скорость перемещения воды не могла быть объяснена простой диффузией). 46

Открытие водных каналов В 1988 -м году американский биохимик Питер Эгр выделил из эритроцитов мембранный белок, исследовал его, а год спустя понял, что это и есть водный канал, избирательно пропускающий воду через мембраны клеток. 2003 г. - Лауреат Нобелевской премии по химии "за открытие водного канала". 47

Аквапорин n n Каналоподобный интегральный белок получил название – аквапорин (от лат. aqua – вода и porus – канал) = AQP 1. Аквапорины встречаются в клетках всех живых организмов. К настоящему времени известно около 200 разновидностей белков водных каналов у растений и животных, в том числе 11 - у человека. 48

Аквапорин - тетрамер Каждая полипептидная цепь содержит около 270 АК и имеет молекулярную массу порядка 30 к. Да. Внутримембранно расположены 6 α-спиральных доменов и 2 петли. 49

продолжение Плотно подогнанные субъединицы формируют водный канал. 50

Характеристика водного канала Диаметр поры канала составляет около 0, 3 нм, т. е. чуть больше диаметра молекулы воды (0, 28). Через столь малую щель не могут проникнуть крупные молекулы каких-либо растворимых веществ. Белянова Л. П. , 2004 n Но через канал не проходят ионы, даже протоны! 51

СЕЛЕКТИВНОСТЬ КАНАЛА Вода движется в виде тонкой цепочки молекул, соединенных водородными связями. В середине канала существует локальное электростатическое поле, генерируемое изменением белковой полярности. Оно заставляет молекулы воды вращаться и таким образом менять свою ориентацию. Это способствует продвижению молекул воды и служит преградой для ионов. 52

АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ это перемещение веществ против градиента концентрации за счёт дополнительных энергетических затрат. В клетках подобный транспорт используется преимущественно для ионов. Источник энергии – АТФ. Поэтому сейчас часто применяют как синонимы: «Ионные насосы» = «транспортные АТФазы» 53

Na, К- АТФаза Одна из наиболее распространённых транспортных АТФаз. Отвечает за поддержание высокой концентрации К+ и низкой концентрации Na+ в клетке. n Энергетические затраты на эти цели оцениваются в 25% общего количества используемой всем организмом энергии. 54

55

Характеристика Na, К- АТФаза Фермент имеет лабильную структуру. Он легко меняет свою конформацию, в изменении которой играют роль ионы натрия, калия и магния, а также АТФ. n Можно выделить 2 основных конформационных состояния: 1) Е 1 – обладает повышенным сродством к Na+; 2) Е 2 – обладает повышенным сродством к К+. 56

Реакционный цикл Na, K-АТФазы 57

http: //www. youtube. com/watch? v=1 ZFq. Ovx. Xg 9 M 58

59