Структура и функции биологических мембран Функции биологических

Структура и функции биологических мембран

Функции биологических мембран • Граница клетка/органелла – Барьер для токсичных молекул – Помогает в накоплении и созранении питательных веществ – Способствует превращению энергии – Модулирует превращение сигналов – Является связующим звеном в межклеточных взаимодействиях • Облегчает движение клеток • Помогает при репродукции

Биологическая мембрана

Спонтанное (самопроизвольное) образование липидных структур • Обычно липиды перемещаются в пределах упаковки, подобно снежинкам • Ключевыми являются гидрофобные взаимодействия Полярная группа (голова) Гидрофобный хвост В рамках монослоя гидрофобные хвосты ориентированы в “сторону воздуха” воздух вода

В мицелах неполярные хвосты находятся в центре сферической структуры Неполярный растворитель В неполярном растворителе мицелы переориентируются вода

Некоторые липидные структуры, которые образуются самопроизвольно: Двойные слои липидов: основа биологичческих мембран Однослойные образования (липосомы) Многослойные образования

Жидко-мозаичная модель Сингера и Николсона • Двойные слои фосфолипидов являются жидкой матрицей • Двойной слой является двумерным растворителем • Липиды и белки могут совершать вращательные движения и движения в плоскости • Два классы белков: – Периферические белки (внешне-ассциированные протеины) – Интегральные белки (внутренне-ассоциированные протеины)

Структура мембранных белков • Интегральные (внутренне ассоцированные) белки • Периферические (внешне ассоцированные) белки • Липид-якорные белки

Интегральные мембранные белки (мембранносвязанные) • Интегральные белки, плотно связываясь с липидным окружением, образуют подвижный слой • Они могут быть удалены лишь при разрыве мембраны (очищение) • Интегральные белки часто являются трансмембранными • “Inside out” посравнению с другими глобулярными белками

Роль интегральных (мембранносвязанных) белков: • Идентификационная роль: идентификация типа клетки (‘face’) • Структурная роль: адгезия белков • Сигнальная роль: опосредует рост и дифференциацию клеток • Система насосов и каналов: осуществляет контроль импорта и экспорта

Пример интегральных (мембранносвязанных) белков: бактереофодопсин • 7 трансмембранных α-спиралей (общий признак) • Состоит из 7 трансмембранных сегментов, которые имеют короткие петли на концах, с помощью которых они соединяются между собой • Наблюдается симметрия упаковки • Функция: фотоиндукция протонных насосов

Периферические мембранные белки • Периферические белки не плотно прилегают к мембране • Они могут диссоциировать под действием мягкой детергентной обработки или при высоких концентрациях солей

Липид-якорные белки 1. 2. 3. 4. Новый класс мембранных белков Известно 4 типа: Амид-связанные меристильные якори Тиоэфир-связанные ацильные якори Тиоэфир-связанные фенильные якори Гликозил фосфатидилинозитольные якори Определяющей для нормального функцинирования белков является их способность принимать участие в сигнальных превращниях

Амид-связанные меристильные якори • Якорем является меристиновая кислота • Меристиновая кислота образует амидную звязь с концевой амидной группой белка • Всегда присутствует остаток Gly • Пример: a субодиницы G белков, NO - синтаза

Тиоэфир-связанные ацильные якори • Характерны для липидов – меристатов, пальмитатов, стеаратов, олеатов • Еще более характерны для аминокислот - Cys, Ser, Thr • G-белки - рецепторы, (трансферриновые рецепторы)

N-миристил-якорь S-пальмитил-якорь

Тиоэфир-связанные фенильные якори • Связь осуществляется с участием остатков “изопрен"-содержащих груп • Всегда Cys в последовательности CAAX (C = Cys, A = алифатическая часть, X = какой-нибудь остаток) • Изопреновые группы содержат фарнезильные (15 -C) и геранильные (20 C) группы • Являются внутриклеточными сигнальными белками

Гликозил фосфатидилинозитольные якори Протеин • Гликозил фосфатидилинозитольные якори, по сравнению с другими, являются более упакованными • Прикрепление всегда осуществляется к C-концевому остатку • Этаноламин соединен с фосфатом, связанным с олигосахаридом, связанным, в свою очередь, с иозитолом • CO C O HNCH 2 OPOO Протеин находится вне клетки Примеры: поверхностные антигены, адгезироованные молекулы, поверхностные гидролазы клеток (Man)3 GN PI Man = манноза GN = глюкозамин PI = фосфатидилинозитол

Липидные якори как способ передачи сигналов • • Липидные якори по своей природе достаточно изменчивы Обратимые “швартовка” и “отшвартовка” могут контролировать путь прохождения сигнала (Аналогично для фосфорилирования и дефосфорилирования, образования субстрата и диссоциации, протеолитического расщепления триггеров и сигналов) фарнезилирование

Белки – транслокаторы • Липиды могут переходить из одного монослоя в другой с помощью белков -транслокаторов • Некоторые из них действуют пассивно и не требуют затрат энергии • Другие действуют активно и поглощают энергию, которая выделяется при гидролизе АТФ • Действие активных транслокаторов может приводить к асимметричности мембран

Мембраны асимметричны • • Вторичная асимметрия белков: – Белки способны образовывать ассоциаты в плоскости мембраны – во многих случаях они размещаются неравномерно Вторичная асимметрия липидов: – Липиды способны образовывать ассоциаты в плоскости мембраны – они всегда располагаются неравномерно – могут также вызывать асимметрию Ca 2+

Мембранно-фазовые переходы: “растворение (рассасывание)" мембранных липидов • • Ниже некоторой температуры мембранные липиды являются жесткими и сильно упакованными (фаза геля) Выше некоторой температуры липиды становятся более гибкими и подвижными (фаза жидкого кристалла) кристалла • Температура перехода является характеристикой липидов в мембране • Температуры превращения только чистых липидных систем лежат в узком диапазоне и относительно легко определяются Гель Жидкий кристалл

Калориметрическое исследование мембранного фазового перехода Поглощенная теплота Температура перехода Анти-конформация Гель Жидкий кристалл Гош-конформации Температура

Движение в двойных слоях Липидные цепи могут выгибаться, вращаться и изменять угол Липиды и белки могут мигрировать (“диффундировать") в пределах двойного слоя Диффузия липидов :

Поперечная асимметрия мембран (транс-симметрия) • Функции мембранных белков зависят от их ориентации в мембране • Мембранные белки пересекают липидный слой мембраны не в случайных, а в определенных местах, т. е. имеют специфическую топологию Гликофорин Снаружи Внутри

Поперечная асимметрия липидов В большинстве мембран клеток липидный состав внешнего и внутреннего монослоев различный: фосфатидилхолин фосфатидилэтаноламин фосфатидилсерин сфингомиелин Всего: Процентное соотношение липидов