Тема 2. Биологические мембраны (физико химические свойства, структура) Цитоплазма. Гиалоплазма. Мембраны цитоплазматических структур. Химия и свойства клеточных мембран. Липиды мембран, липидный бислой. Белки мембран, взаимодействие с липидами. Мозаичная модель клеточной мембраны. 1
Тема 2. Структура мембран Основные структуры клеток • Клетки отделены от внешней среды или от соседних клеток у многоклеточных организмов плазматической мембраной (ПМ). У растений и прокариотических организмах снаружи от ПМ (экстрацеллюлярно), расположена клеточная оболочка или стенка • Внутреннее содержимое клетки, за исключением ядра, носит название цитоплазмы. Т. о. клетки содержат два главных комплекса: цитоплазму и ядро. • Цитоплазма эукариотических клеток включает: гиалоплазму, мембранные и немембранные компоненты. • К мембранным компонентам относится вакуолярная система (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи; лизосомы, вакуоли растений), мембранные органеллы (митохондрии и пластиды) • Немембранные структуры: центриоли, характерные для животных клеток, и немембранные макромолекулярные комплексы и структуры: рибосомы, микротрубочки и микрофиламенты. Лекция 2 (28) 2
Тема 2. Структура мембран Гиалоплазма • Гиалоплазма (от hyaline просвечивающийся, прозрачный) (ГП) основной матрикс цитоплазмы • В электронном микроскопе ГП имеет вид гомогенного или тонкозернистого вещества с низкой электронной плотностью (по физико химическим данным ГП сложная коллоидная система, включающая в себя различные биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и др. ) • Коллоидная система ГП способна переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гель и обратно. Отдельные зоны ГП могут менять свое агрегатное состояние в зависимости от условий или от функuиональной нагрузки (например, отдельные молекулы белков тубулинов могут быть в ГП в диспергированом виде или образовывать микротрубочки (процесс самосборки микротрубочек обратим) • ГП принимает участие в образовании клеточных мембран, нитей и микрофиламентов. Фибриллярные цитоплазматические структуры также могут возникать в результате специфических агрегационных процессов в гиалоплазме. Лекция 2 (28) 3
Тема 2. Структура мембран Гиалоплазма (продолжение) • После осаждения из гомогенатов клеток ядер, мембранных структур и рибосом, надосадочная жидкость содержит все основные химические компоненты ГП • В состав ГП входят различные глобулярные белки и ферменты цитоплазматического матрикса. Они составляют 20 25% общего содержания белков в эукариотической клетке (в бактериальных клетках, бедных мембранными элементами, на долю белков ГП приходиться около 50 % всех белков) • В ГП содержатся ферменты гликолиза, ферменты метаболизма сахаров, азотистых оснований, аминокислот, липидов; ферменты активации аминокислот при синтезе белка, транспортные РНК и др. • Осмотические и буферные свойства клетки в значительной степени определяются составом и структурой ГП • ГП объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает химическое взаимодействие их друг с другом. • Через ГП осуществляется большая часть внутриклеточных транспортных процессов: перенос аминокислот, жирных кислот, нуклеотидов, сахаров, АТФ; идет постоянный поток ионов к плазматической мембране и от нее, к митохондриям, ядру и вакуолям. • В ГП происходит отложение запасных продуктов: гликогена, крахмала, жировых капель и др. Лекция 2 (28) 4
Тема 2. Структура мембран Общая характеристика мембран (Мем) Модели мембраны: А – по Ленарду и Зингеру ( Lenard, Singer, 1966); Б – по Вандеркой и Грину (Vanderkooi, Greeen, 1970); В – по Зингеру и Николсону (Singer, Nicolson, 1972). б – белки; л – липиды; бс – белковые субъединицы; гом – гидрофобная область мембраны • (Структура и функции биологических мембран, 1975, стр. 11) • • • Все Мем клеток (плазматическая, мембраны внутриклеточных органоидов) представляют плоские структуры липопротеидной природы – липиды в комплексе с белками, 6 – 10 нм толщиной В клетке нет открытых Мем со свободными концами. Мем клетки всегда ограничивают полости или участки, отделяя содержимое таких полостей от окружающей их среды Плазматическая Мем – замкнутая структура, отделяет содержимое цитоплазмы от окружающей среды Внутриклеточные замкнутые Мем образуют пузырьки – вакуоли шаровидной или уплощенной формы (плоские мембранные мешки или цистерны). В этих случаях также Мем разделяют две структурные фазы цитоплазмы: гиалоплазму от содержимого вакуолей и цистерн Мем митохондрий и пластид разделяют их внутреннее содержимое от гиалоплазмы Ядерная оболочка – перфорированная полая двойная мембранная структура шаровидной формы (отделяет кариоплазму и хромосомы от полости перинуклеарного пространства гиалоплазмы Лекция 2 (28) 5
Тема 2. Структура мембран Структурные формулы некоторых важнейших липидов • • Основной химический состав мембран Основными химическими компонентами клеточных мембран служат липиды (~40%) и белки (около 60 %). Во многих мембранах обнаружены углеводы К липидам относится большая группа органических веществ, плохо растворяющихся в воде (гидрофобность) и хорошо в органических растворителях и жирах (липофильность) Состав липидов, входящих в мембраны клетки, очень разнообразен (рис. ). Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов – холестерин Глицерофосфатиды, или глицеролипиды, представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина с двумя жирными кислотами и с фосфорной кислотой, которая, в свою очередь, может быть связана с различными химическими группами (холин, серин, инозит, этаноламин и др. ). Так, например, в структуру наиболее часто встречающегося в мембранах глицеролипида лецитина входят участки двух жирных кислот, глицерина, фосфорной кислоты и холина. Лекция 2 (28) 6
Тема 2. Структура мембран Основной химический состав мембран (продолжение) • Схема строения молекул фосфолипидов Другой группой мембранных липидов являются сфингомиелины, где глицерин замещен аминоспиртом сфингозином. • Из липидов, относящихся к стероидам, больше всего в мембранах холестерина. В растительных клетках холестерин не обнаружен, его там заменяют фитостерины. У бактерий стерины отсутствуют • Молекулы липидов содержат две функционально различные части: непопярные (не несущие зарядов) хвосты, состоящие из жирных кислот и заряженные полярные головки (рис. ) • Полярные головки имеют отрицательные заряды или могут быть нейтральными (в случае, если они имеют одновременно положительные и отрицательные заряды) • Наличие неполярных хвостов липидов объясняет хорошую растворимость их в жирах и органических растворителях Лекция 2 (28) 7
Тема 2. Структура мембран Структура фосфатидилхолина Гидрофильная головка и два гидрофобных хвоста. Слева – насыщенная жирная кислота, справа – ненасыщенная (Молекулы и клетки, вып. 6. , 1977, стр. 185) Лекция 2 (28) 8
Тема 2. Структура мембран Липиды и водная фаза • • • Мономолекулярный слой липидов на поверхности раздела вода масло и мицеллы липидов в масле и воде Если полярные липиды смешать с водой, то образуется эмульсия, состоящая из мицелл. При этом незаряженные гидрофобные хвосты будут стремиться образовывать однородную фазу в центре мицеллы и заряженные, гидрофильные, головки будут обращены к водной фазе Холестерин мицелл не образует, нo легко включается в мицеллы полярных липидов, в результате чего образуются мицеллы смешанного типа Если к липидам добавить немного воды, то образуются мицеллы, как бы вывернутые наизнанку: их гидрофобные хвосты будут торчать в масляную фазу, а заряженные гидрофильные головки будут располагаться внутри мицеллы (рис. ). Лекция 2 (28) 9
Тема 2. Структура мембран Липиды и водная фаза (продолжение) • • Сплошной бимолекулярный слой, образующийся в воде при высокой концентрации липидов Лекция 2 (28) На поверхности воды растворы полярных липидов образуют мономолекулярную пленку, в которой в водную фазу будут направлены заряженные (гидрофильные) головки, а неполярные хвосты будут обращены в сравнительно гидрофобную воздушную фазу Смешивая с водой экстрагированные из мембран липиды или смеси разных липидов, можно получить бимолекулярные слои или мембраны, где периферические зоны слоя, направленные в водную фазу, будут содержать исключительно полярные головки, а незаряженные хвосты будут образовывать общую гидрофобную центральную зону такой образовавшейся мембраны (рис. ). 10
Тема 2. Структура мембран Липиды и клеточные мембраны • Способность липидов самопроизвольно образовывать мембранные структуры определяется наличием в их структуре полярных головок и неполярных хвостов • В искусственных системах липидные мицеллы и мембраны могут взаимодействовать с белками полярными головками или гидрофобными хвостами, образуются искусственные липопротеидные мембраны, очень сходные с теми мембранами, которые можно выделить из клеток. Они имеют толщину около 7, 5 нм • Разные мембраны клетки могут отличаться друг от друга по количеству липидов и соотношению липиды: белок (табл. 1 и 2) Источник мембран Отношение белок: липиды Липиды 1, 50 Митохондрии (внутренние мембраны) 3, 00 Хлоропласты 1, 00 Бактерии 3, 10 Эритро циты Мито хондрии Хлоро пласты Фосфолипиды 32 55 95 10 Холестерин 25 25 5 0 31 18 0 0 Гликолипиды 0 0 0 41 Прочие 12 2 0 50 0, 25 Эритроциты Миелиновые оболочки Сфинголипиды Миелиновые оболочки Табл. 1. Соотношение белков и липидов в разных мембранах Лекция 2 (28) % в мембранах разного происхождения Табл. 2. Липидный состав различных мембран 11
Тема 2. Структура мембран Классификация мембранных белков Белковый состав мембраны эритроцитов (электрофорез в геле). Два белка с максимальной молекулярной массой (255000 и 220000) образуют димер – спектрин (Молекулы и клетки, вып. 6. , 1977, стр. 187) • По биологической роли мембранные белки можно разделить на три группы: ферменты, рецепторные белки и структурные белки • В плазматической мембране клеток обнаружено несколько десятков ферментов. В разных мембранах существует характерный набор ферментов. Например, в плазматической мембране (и во многих других), локализуется К Nа зависимая АТФаза, участвующая в транспорте ионов. • В мембранах митохондрий имеется специфический набор белков переносчиков электронов и фермент – АТФ синтетаза, обеспечивающие окислительное фосфорилирование и синтез АТФ. Лекция 2 (28) 12
Тема 2. Структура мембран Классификация мембранных белков (продолжение) Рецепторные белки специфически связываются с определенными веществами, например, гормонами. «Узнают» поверхности соседних клеток, вирусов, фагов у бактерий и т. д. Фоторецепторные белки • Структурные белки мембран мало изучены. Известно, что они имеют обширные гидрофобные участки. Их роль, по видимому, заключается в стабилизации мембран и в организации полиферментных комплексов • Вывод: химичеcкая структура и функции мембран определяется не только липидами, но и белками. • Общий признак клеточных мембран – липопротеидное строение; разница – в количественных и качественных различиях по липидному и белковому составу (например, состав и количество липидов и белков в мембранах эндоплазматической сети и внутренней мембране митохондрий разные) • Углеводный компонент мембран представлен главным образом гликопротеинами – молекулами белков, ковалентно (в отличие от нуклеопротеидов и липопротеидов) связанных с цепочками углеводов. • Лекция 2 (28) 13
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (электронный микроскоп) Один из интересных объектов – мембраны шванновских клеток. Плазматическая мембрана шванновской клетки вся целиком обвивается вокруг отростка нейрона, образуя сложную многослойную структуру Схема взаимодействия отростка нервной клетки и шванновской клеки Миелиновая оболочка седалищного нерва амфибии. 1 главный период (100 ангстрем) образован плотной линией; 2 – аксон (ув. 340000) (Де Робертис и др. , 1962) Поперечный срез нервного волокна. В центре аксон. Цитоплазма шванновской клетки снаружи от многослойной структуры мембран (Свенсон, Уэбстер, 1980) Лекция 2 (28) 14
Тема 2. Структура мембран Лекция 2 (28) 15 Конструкция мембран (электронный сканирующий микроскоп) Мембраны миелиновой оболочки. Криоскалывание (пучки волокон в хвостатом ядре мозга крысы стрелка) Без предварительной фиксации (травление) (ув. 50000)
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (электронный сканирующий микроскоп) Схема метода микроскалывания. В правом верхнем углу интактная мембрана (двойной липидный слой). При криоскалывании мембраны плоскость скола проходит между хвостами липидных молекул. Пронизывающие мембрану белки не разрываются и поэтому видны на поверхности скола как выступы и углубления Поверхность скола нескольких клеток слюнной железы крысы. Большая округлая структура внизу – ядро одной из клеток (ув. 32000) (Молекулы и клетки, вып. 6, 1977, стр. 206) Лекция 2 (28) 16
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (электронный микроскоп) • При окраске четырехокисью осмия в электронном микроскопе они видны в виде трехслойной структуры: два темных периферических слоя по 2, 5 нм и светлый, центральный, примерно такой же толщины. Естественные, клеточные мембраны имеют такое же строение. Миелиновая оболочка зрительного нерва амфибий. 1 – фиксация четырехокисью осмия; 2 – фиксация в смеси: формальдегид бихромат калия Б – белок; С 1 и С 2 – слои, содержащие фосфолипиды (Де Робертис и др. , 1962, фото 17) Лекция 2 (28) 17
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (электронный микроскоп) Наружний членик палочек сетчатки жабы 1 – фиксация четырехокисью осмия показывает локализацию белка в мембранных мешочках; 2 – фиксация в растворе: формальдегид бихромат калия выявляет липидные слои Б – белок; С 1 и С 2 – слои, содержащие фосфолипиды (Де Робертис и др. , 1962, фото 19) Лекция 2 (28) 18
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (электронный микроскоп) В морфологической литературе модель мембраны, состоящей из субъединиц, называют глобулярной. Размер глобул в мембранах варьирует в пределах 50 90 ангстрем. Толщина темного слоя, окружающего более электронноплотную сердцевину, равна приблизительно 10 20 ангстрем. • Впервые глобулярное строение мембран митохондрий и ЭР описал Шестранд (1963), фиксируя объекты перманганатом калия. • На фото видны участки мембран с глобулярной и ламеллярной структурой • Ламеллярная структура мембран – лишена глобулярных субъединиц Аксолемма нервных волокон. Ув. 17000. В правом верхнем углу участок (ув. 350000), обведенный прямоугольником (Структура и функции биологических мембран, 1975, стр. 16 17) Периферический участок гигантского аксона кальмара: плазматические мембраны аксона (а) и шванновских клеток (шк). Ув. 75000. В правом верхнем углу участок (ув. 250000), обведенный прямоугольником Лекция 2 (28) 19
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (электронный микроскоп) При разных видах обработки материала выявляются белковые и небелковые примембранные слои со строны гиалоплазмы и с внешней стороны • Толщина таких слоев колеблется в пределах 70 – 200 ангстрем Экзокринная клетка поджелудочной железы Микроворсинки всасыва ющей клетки кишечника. нпс – наружний примембранный слой (ув. 230000) (Структура и функции биологических мембран, 1975, стр. 22 23) Лекция 2 (28) 20 П осле замораживания высушивания (ув. 145000). После замораживания с замещением (110000) Кэс – каналы ЭР; гом – гидрофобный слой мембраны; впс – внутренний примембранный слой; нпс – наружний примембранный слой
Тема 2. Структура мембран Некоторые данные о биохимии мембран Для плазматических мембран характерно высокое содержание холестерина и сфинголипидов, преобладание насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов. В мембранах митохондрий, эндоплазматической сети и в других цитоплазматических мембранах содержится мало холестерина и сфинголипидов и сравнительно много полиненасыщенных жирных кислот • Количество и набор белков в клеточных мембранах различен: больше всего в мембранах митохондрий • Часть белков связана с липидными головками с помощью ионных (солевых) связей и поэтому легко экстрагируются из мембран растворами солей. Другие образуют солевые связи с полярными участками липидов через взаимодействие с ионами Mg++ или Са++, такие белки экстрагируются с помощью хелатных соединений, таких, как версен (ЭДТА) • Большая же часть белков имеет с липидами мембран гидрофобные связи. Многие мембранные белки состоят из участков, богатых полярными (несущими заряд) аминокислотами, и участков, обогащенных неполярными аминокислотами (глицином, аланином, валином, лейцином) • Такие белки в липидных слоях мембран располагаются так, что их неполярные участки как бы по гружены в «жирную» часть мембраны, где находятся гидрофобные участки липидов. Полярная (гидрофильная) же часть таких белков взаимодействует с головками липидов и обращена в сторону водной фазы (рис). Такие белки, связанные с липидами путем гидрофобных взаимодействий, практически не экстрагируются в водных фазах. Их можно выделить, лишь разрушая мембрану, экстрагируя из нее липиды или органическими растворителями, или детергентами. Взаимодействие белков с липидными слоями: А белковая молекула, связанная ионными взаимодействиями; Б, В гидрофильно (б 1, в 1) гидрофобные (б 2, в 2) взаимодействия белков с липидами (ФЛ) (Ченцов, 1978) Лекция 2 (28) 21
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран • Доказательства конструкции клеточных мембран в виде двойного липидного слоя, было получено в 20 х годах прошлого века. • Если экстрагировать липиды из оболочки эритроцитов, а затем поместить липиды на поверхность водного мениска, то можно рассчитать площадь, занимаемую образовавшимся монослоем липидов. Оказалось, что эта площадь вдвое больше площади, занимаемой поверхностью эритроцитов, из которых были экстрагированы липиды. • Было сделано предположение, что в мембранах эритроцитов липиды располагаются в два слоя. К тому же оказалось, что поверхностное натяжение клетки (1 2 дин/см 2) значительно ниже, чем поверхностное натяжение искусственного липидного слоя (7 15 дин/см 2). • При добавлении белка к маслу поверхностное натяжение снижается до величины, характерной для поверхностного натяжения клеток. • Исходя из этого Давсон и Даниелли (1931) сформулировали гипотезу о структуре мембраны, согласно которой она представляет собой трехслойный «сэндвич» (белок липид белок) (рис. ). Модель двухслойной липопротеидной мембраны (слева) и схема строения поры в мембране (справа) Лекция 2 (28) 22
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (продолжние) Липидный бимолекулярный слой представляет среднюю часть мембраны: гидрофобные концы молекул липидов направлены друг к другу, а гидрофильные к белковым слоям, лежащим по обе стороны от липидного бислоя. • Эта гипотеза получила прямые подтверждения при использовании электронного микроскопа в изучении мембран клетки. Так, удалось увидеть особенно хорошо на мембранах миелиновой оболочки нервов, что мембрана действительно трехслойная: два темных слоя по 2, 5 нм каждый и более широкий светлый слой между ними. • Такие картины получаются при использовании в качестве фиксаторов и «контрастеров» растворов Os. O 4 и КМn. О 4. • Трехслойность клеточных мембран показана в электронном микроскопе с помощью метода замораживания скалывания, что особенно важно, так как в этом случае исследуется материал, который не подвергался никаким химическим воздействиям. Трехслойность мембран миелиновых оболочек подтверждена рентгеноструктурным анализом. • Выдвинута гипотеза об «элементарной мембране» , согласно которой все мембраны клетки построены по типу «сэндвча» и в связи с этим свойством могут взаимно переходить друг в друга. Эти основные гипотезы были дополнены рядом важных деталей, например, наличие пор, по которым возможен перенос воды и ионов через мембрану • Лекция 2 (28) 23
Тема 2. Структура мембран Лекция 2 (28) 24 Конструкция мембран (продолжение) Мозаичная модель клеточной мембраны. Основу ее создают слой липидов, гидрофобные хвосты которых образуют сплошной слой, а гидрофильные головки торчат наружу. Белковые молекулы плавают в слое липидов, погруженные в них своими гидрофобными участками. Белки, образующие солевые связи с полярными головками липидов, на схеме не указаны (по Singer, Nicolson, 1972) Структурная основа клеточных мембран – двойной слой липидных молекул (толщина слоя 4, 5 нм). Белки (а, б, в) могут находиться в толще, на поверхности мембран или проникать на небольшую глубину (Молекулы и клетки, вып. 6. , 1977, стр. 186) • Метод замораживания скалывания: скол через мембраны может идти вдоль центральной, липидной зоны. В этом случае обнажается масса глобул, по видимому, белковой природы, находящихся в составе липидного, слоя. • Размер таких глобул около 4 8 нм. Эти и биохимические данные послужили основой модели мембраны с мозаичной укладкой: мембрана состоит из неплотно упакованных белковых глобулярных белков, свободное пространство между которыми заполнено липидными молекулами (рис. ). • Часть белков может быть связана только с полярными группами липидов и может находиться на поверхности билипидного слоя; другие белки могут быть частично или даже полностью погружены из за гидрофобных свойств своих участков в липидный слой; третьи могут пронизывать мембрану насквозь. • Большая часть липидных молекул (70%) не связана с белками, так что белковые молекулы как бы «плавают» в липидном бислое. • Вдоль довольно жидкого липопротеидного слоя (вязкость его сравнима с вязкостью оливкового масла) могут перемещаться не только молекулы липидов, но и белков. Так, белки могут собираться в группы или, наоборот, рассеиваться на поверхности мембраны.
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (продолжение) • Таким образом, мембраны не являются застывшими, cтатичными образованиями. Некоторыe мембраны относительно стабильны (например, мембраны миелиновых оболочек и мембраны эритроцитов), другие же в большей степени подвижны и изменчивы. Возможны перестройки мембран, при которых происходит изменение липидного и белкового состава, приводящие к изменениям функциональных свойств мембран. • Невзирая на различие количества и состава мембран, они обладают рядом общих свойств, определяемых их основной структурой: они являются барьерными структурами, сильно ограничивающими свободную диффузию веществ между цитоплазмой и средой и между гиалоплазмой и содержимым внутриклеточных вакуолей или мембранных полостей. • Специфические функциональные особенности отдельных мембран определяются свойствами белковыx компонентов, большая часть которых представляет собой специфические ферменты или ферментные системы. Мембрана эритроцита после замораживания и травления. На сколотой части мембраны, обращенной к цитоплазме (+) выявляются ее глобулярное строение. нп – наружняя поверхность мембраны, вскрытая после травления. Стрелка в кружке указывает направление напыления (ув. 112000) (Структура и функции биологических мембран, 1975, стр. 17) Лекция 2 (28) 25
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (продолжение) Белки (а, б, в) в мембранах эритроцитов расположены ассиметрично. А – модель интактной мембраны. Если такую мембрану обработать веществом неспособным проникать через липидный бислой – метка будет находиться только на внешних белковых молекулах. Если провести лизис эритроцитов, то метка будет распределяться на наружних и внутренних поверхностях мембраны (Б). Белок в – спектрин (Молекулы и клетки, вып. 6. , 1977, стр. 192) Лекция 2 (28) 26
Тема 2. Структура мембран Конструкция мембран (продолжение) Наружняя мембрана эритроцитов. Молекулы гликопротеида , выступающие над мембраной окрашены и распределены равномерно (А). После агрегации спектрина их расположение изменилось (Б). Электронная микроскопия (Молекулы и клетки, вып. 6. , 1977, стр. 197) Лекция 2 (28) 27
Тема 2. Структура мембран Дополнительная литература Структура и функция биологических мембран. Сб. , ред. Овчинников Ю. А. Изд. Наука, М. . 1975 Свенсон К. , , Уэбстер П. . Клетка, М. , Мир, 1980 Ченцов Ю. С. , Общая цитология, Изд. МГУ, 1978 Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия, М. , Просвещение, 1987 Де Робертис Е. , Новинский В. , Саэс Ф. , Общая цитология, ИИЛ, М. , 1962 Свенсон К. , , Уэбстер П. . Клетка, М. , Мир, 1980 Молекулы и клетки. Вып. 6. Ред. Г. М. Франк, М. , Мир, 1977 28
Скачать презентацию Тема 2 Биологические мембраны физико химические свойства структура
Биологические мембраны.ppt