Деев Анатолий Иванович Кафедра медицинской биофизики

Деев Анатолий Иванович Кафедра медицинской биофизики adeyev@mail. ru СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН

История изучения биомембран Термин "мембраны" как окружающей клетку невидимой плёнки, служащей барьером между содержимым клетки и внешней средой и одновременно - полупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые растворенные в ней вещества, был впервые использован ботаниками фон Молем и независимо К. фон Негели в 1855 г для объяснения явлений плазмолиза. Карл фон Негели КЛЕТКА КАК ОСМОМЕТР (1817 -1891)

История изучения биомембран В 1877 г. ботаник В. Пфеффер (1845 -1920) опубликовал свой труд “Исследования осмоса” (Leipzig), где постулировал существование клеточных мембран, основываясь на сходстве между клетками и осмометрами, имеющими Вильгельм Пфеффер искусственные полупроницаемые мембраны, которые были приготовлены незадолго до этого М. Траубе. Дальнейшее изучение осмотических явлений в растительных клетках голландским ботаником Х. де Фризом (1848 -1935) послужило фундаментом при создании физико-химических теорий осмотического давления и электролитической диссоциации датчанином Я. Вант-Гоффом (1852 -1911) и шведским ученым С. Аррениусом (1859 -1927).

История изучения биомембран КЛЕТКА КАК БАТАРЕЙКА В 1888 году немецкий физико-химик В. Нернст (1864 -1941) вывел уравнение диффузионного потенциала. В 1890 году немецкий физико-химик и философ В. Оствальд (1853 -1932) обратил внимание на возможную роль мембран в биоэлектрических процессах. Вальтер Герман Нернст Walther Hermann Nernst В 1902 году Ю. Бернштейн (1839 -1917) привлек для объяснения электрических свойств живых клеток мембранную гипотезу. Вильгельм Оствальд

История изучения биомембран Между 1895 и 1902 годами Э. Овертон (1865 -1933) измерил проницаемость клеток растений для большого числа соединений и показал прямую зависимость между способностью этих соединений проникать в клетку и их растворимостью в липидах. Это было чётким указанием на то, что именно липиды формируют плёнку, на поверхности клетки. Ранее считали, что в клетку проникает только вода. Корреляция Майера-Овертона: эффективность действия анестетиков коррелирует с их растворимостью в липидах.

История изучения биомембран ЛИПИДЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ ФОРМИРУЮТ МОНОСЛОЙ Irvine Langmuir Ванна и весы Ленгмюра для измерения поверхностного давления монослоя. Под действием внешней силы плавучий барьер движется вправо и сжимает монослой. Давление на поплавок уравновешивается грузом. Langmuir, I. 1917. The constitution and fundamental properties of solids and liquids. II. Liquids. J. Am. Chem. Soc. 39: 1848 -1906.

История изучения биомембран МЕМБРАНА — БИСЛОЙ ЛИПИДОВ В 1925 году Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в два раза больше суммарной площади эритроцитов. Гортер и Грендел экстрагировали липиды из гемолизированных эритроцитов ацетоном, затем выпаривали раствор на поверхности воды и измеряли площадь образовавшейся мономолекулярной пленки липидов. На основе результатов этих исследований было сделано предположение, что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя. Gorter, E. and F. Grendel. 1925. On bimolecular layers of lipoids on the chromocytes of the blood. 439 -443. The Journal of Experimental Medicine. 41: 439 -443. Экстракт липидов из эритроцитов Площадь масляного пятна липидного экстракта эритроцитов = Удвоенной площади мембран эритроцитов

История изучения биомембран МЕМБРАНА = ЛИПИДЫ + БЕЛКИ Триламинарный вид мембраны на электронных микрофотографиях. Первой моделью биомембран , принятой большинством биологов была модель Даниэли- Давсона (1935), которую часто называют моделью «сэндвича» , в котором слой масла (липиды мембран) находится между кусками хлеба (белки). Позже в 1975 г. в модель были добавлены водные поры, чтобы объяснить проницаемость мембран для воды.

История изучения биомембран Robertson's basic point was that because all cellular membranes are constructed along the same architectural principles, they are at least potentially capable of becoming continuous with each other. (From: Sci. Amer. , 206: 64 -72, l 962)

История изучения биомембран МЕМБРАНА = FLUID-MOSAIC MODEL ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ ЛИПИДОВ + (Singer and Nicolson, 1972) МОЗАИКА БЕЛКОВ Жидкостно-мозаичная модель — это первая динамическая модель, в которой белки и фосфолипиды двигались в плоскости мембраны (латеральная диффузия). К моменту создания модели стало уже ясно, что липиды в биологических мембранах находятся в состоянии жидкости с относительно небольшой вязкостью, всего в 10 -100 раз выше вязкости воды. На поверхности белковых молекул, входящих в состав мембран, имеются большие гидрофобные участки, которые внедряются в толщу липидного слоя. Эти участки называются «якорными» , поскольку в водной среде они прочно связаны с гидрофобной зоной мембран силами гидрофобного взаимодействия. Другие участки мембранных белков имеют полярные группы и экспонированы в водную фазу.

История изучения биомембран ОСНОВНЫЕ ВЕХИ ИСТОРИИ МОДЕЛЕЙ МЕМБРАН

В 1997 году известный немецкий ученый Кай Зимонс выдвинул революционную теорию "липидных рафтов" Липидный рафт (дословно липидный плот, анг. lipid raft) — микродомен липидного бислоя мембраны, обогащённый холестерином, сфинголипидами и насыщенными фосфолипидами, т. е. это участок плотно -упакованного липида, «плавающего» на поверхности «жидкого» фосфолипида (отсюда название липидный плот). Схема строения липидного рафта. (А) Внутриклеточная среда, (B) внешняя среда или внутривезикулярное пространство аппарата Гольджи. Обозначения: 1. липид в жидкой неупорядоченной фазе, окружающий плотно-упакованный липидный рафт (2); 3. трансмембранный белок, связанный с липидным рафтом; 4. белок клеточной мембраны; 5. олигосахаридные остатки на белке рафта (гликопротеин); 6. гликозилфосфатидинилинозитол; 7. холестерин; 8 олигосахаридные остатки на липидах (гликолипид).

Главная идея Зимонса состоит в том, что определенные участки мембраны самоорганизованы в обогащенные холестерином рафты - этакие "плоты", более плотные, чем остальные области, и потому свободно дрейфующие в окружающем пространстве. В зависимости от происходящих в жизни клетки событий эти "плотики" способны собираться в большие платформы, и тогда молекулы белков, которые до того находились на разных "плотах", получают возможность встретиться и провзаимодействовать. Однако некоторые белки, как оказалось, вообще не способны попасть на "плотики", и, чтобы эти белки могли прореагировать с "постояльцами плотов", клетка разрушает часть рафтов, и "постояльцы" оказываются выброшены навстречу новым событиям. Для молекулярной медицины рафты стали недостающим звеном в механизмах развития многих заболеваний. Так, учeные быстро обнаружили, что вирусы (в том числе и вирус СПИДа) выбирают своей мишенью в клеточной мембране именно липидные "плоты", забрасывают туда прочный "якорь", после чего начинают свое проникновение в клетку.

Липидный рафт, будучи относительно нерастворим в окружающем липиде, представляет собой достаточно гетерогенную и нестабильную структуру размером от 50 до 200 нм. Встраивание специфических мембранных белков в липидный рафт приводит к его стабилизации, а последующее связывание лигандов к рецепторам или гликосфинголипидам, локализующимся в таких рафтах, приводит к их слиянию и запускает передачу внутриклеточного сигнала. Важность холестерина для образования рафта была показана при обработке мембраны циклодекстраном. Циклодекстран, специфически связывая холестерин и удаляя его из липидной мембраны, приводит к растворению рафта в окружающих фосфолипидах. Некоторые клеточные белки специфически локализуются в липидных рафтах. Среди них белки с гликозилфосфатидинилинозитолом, диацетилированные тирозинкиназы семейства Src и трансмембранные белки. Другие белки присоединяются к рафту только после активирования (рецепторы Т-клеток, рецепторы В-клеток, CD 39 и др. ).

ФУНКЦИИ РАФТОВ Полагают, что липидные рафты, "сходясь" и "расходясь" в мембране, как корабли в море, регулируют проведение сигнала снаружи внутрь клетки. Сигналы при этом могут быть самые разнообразные: от клеточного самоубийства (апоптоза) до активации клеточного деления и прикрепления к субстрату.

Структура типичной плазматической мембраны Белки мембран включены в липидный двойной слой двумя способами: 1. связаны с гидрофильной поверхностью липидного бислоя — поверхностные мембранные белки; 2. погружены в гидрофобную область бислоя — интегральные мембранные белки.

Химический состав типичных мембран Мембраны состоят из липидных и белковых молекул, относительное количество которых варьирует (от 20% — белок + 80%— липиды до 75% — белок + 25% липиды) у разных мембран. Углеводы содержатся в форме гликопротеинов, гликолипидов и составляют 0, 5— 10% вещества мембраны. МЕМБРАНА БЕЛКИ, % ЛИПИДЫ, % УГЛЕВОДЫ, % МИЕЛИН 18 79 3 ЭРИТРОЦИТ ЧЕЛОВЕКА 49 43 8 ПЕЧЕНЬ МЫШИ 44 52 4 АМЁБА 54 42 4 ГАЛОБАКТЕРИЯ 75 25 0 МИТОХОНДРИЯ 76 24 0 (ВНУТРЕННЯЯ МЕМБРАНА)

Общий план построения молекулы сфингомиелина в определенном отношении напоминает строение глицерофосфолипидов. Молекула сфингомиелина содержит как бы полярную «головку» , которая несет одновременно и положительный (остаток холина), и отрицательный (остаток фосфорной кислоты) заряды, и два неполярных «хвоста» (длинная алифатическая цепь сфингозина и ацильный радикал жирной кислоты).

Своеобразным представителем глицерофосфолипидов является кардиолипин, впервые выделенный из сердечной мышцы. По своей химической структуре кардиолипин можно рассматривать как соединение, в котором 2 молекулы фосфатидной кислоты связаны с помощью одной молекулы глицерина. В отличие от остальных глицерофосфолипидов кардиолипин является как бы «двойным» глицерофосфолипидом. Кардиолипин локализован во внутренней мембране митохондрий. Функция его пока неясна, хотя известно, что в отличие от других фосфолипидов кардиолипин обладает иммунными свойствами.