МОДУЛЬ 4 СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

. Типы мембранных белков и их функции.

Белки отвечают за
функциональную активность мембран.
Одни из них обеспечивают транспорт
определённых молекул и ионов, другие
являются ферментами, третьи участвуют
в связывании цитоскелета с внеклеточным
матриксом или служат рецепторами для
гормонов, медиаторов, эйкозаноидов,
липопротеинов, оксида азота (NO). На долю
белков приходится от 30 до 70% массы
мембран. Белки определяют особенности
функционирования каждой мембраны.

. Транспорт через мембраны: активный, пассивный.

Пассивный
транспорт —
перенос веществ по градиенту концентрации,
без затрат энергии (например, диффузия,
осмос). Диффузия — пассивное перемещение
вещества из участка большей концентрации
к участку меньшей концентрации. Осмос
— пассивное перемещение некоторых
веществ через полупроницаемую мембрану
(обычно мелкие молекулы проходят, крупные
не проходят).

Простая диффузия
-частицы вещества перемещаются сквозь
липидный бислой. Направл. ростой диффузии
определяется только разностью концентраций
вещества по обеим сторонам мембраны.
Путём простой диффузии в клетку проникают
гидрофобные вещества (O2,N2,бензол) и
полярные маленькие молекулы (CO2, H2O,
мочевина). Не проникают полярные
относительно крупные молекулы
(аминокислоты, моносахариды), заряженные
частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК,
белки).

Облегченная
диффузия

Большинство веществ
переносится через мембрану с помощью
погружённых в неё транспортных белков
(белков-переносчиков). Все транспортные
белки образуют непрерывный белковый
проход через мембрану. С помощью
белков-переносчиков осуществляется
как пассивный, так и активный транспорт
веществ. Полярные вещества (аминокислоты,
моносахариды), заряженные частицы (ионы)
проходят через мембраны с помощью
облегченной диффузии, при участии
белков-каналов или белков-переносчиков.

Участие белков-переносчиков обеспечивает
более высокую скорость облегченной
диффузии по сравнению с простой пассивной
диффузией. Скорость облегченной диффузии
зависит от ряда причин: от трансмембранного
концентрационного градиента переносимого
вещества, от количества переносчика,
который связывается с переносимым
веществом, от скорости связывания
вещества переносчиком на одной поверхности
мембраны (например, на наружной), от
скорости конформационных изменений в
молекуле переносчика, в результате
которых вещество переносится через
мембрану и высвобождается на другой
стороне мембраны.

Белки-переносчики

Белки-переносчики
— это трансмембранные белки, которые
специфически связывают молекулу
транспортируемого вещества и, изменяя
конформацию, осуществляют перенос
молекулы через липидный слой мембраны.
В белках-переносчиках всех типов имеются
определенные участки связывания для
транспортируемой молекулы. Они могут
обеспечивать как пассивный, так и
активный мембранный транспорт.

Активный транспорт
— перенос вещества через клеточную или
внутриклеточную мембрану (трансмембранный
А.т.) или через слой клеток (трансцеллюлярный
А.т.), протекающий против электрохимического
градиента, т. е. с затратой свободной
энергии организма. В большинстве случаев,
но не всегда, источником энергии служит
энергия макроэргических связей АТФ.

Различные транспортные АТФазы,
локализованные в клеточных мембранах
и участвующие в механизмах переноса
веществ, являются основным элементом
молекулярных устройств — насосов,
обеспечивающих избирательное поглощение
и откачивание определенных веществ
(например, электролитов) клеткой. Активный
специфический транспорт неэлектролитов
(молекулярный транспорт) реализуется
с помощью нескольких типов молекулярных
машин — насосов и переносчиков.

Транспорт
неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот
и других мономеров) может сопрягаться
с симпортом — транспортом другого
вещества, движение которого по градиенту
концентрации является источником
энергии для первого процесса. Симпорт
может обеспечиваться ионными градиентами
(например, натрия) без непосредственного
участия АТФ.

. Межклеточные контакты: простого, сцепдяющего и запирающего

Межклеточные
контакты
возникают в местах соприкосновения
клеток в тканях и служат для межклеточного
транспорта веществ и передачи сигналов,
а также для механического скрепления
клеток друг с другом. Основные
типы межклеточных контактов:
а) рыхлые, или простые, контакты б)
межклеточные «замки»в) десмосомы; г)
плотные контакты (встречаются в основном
в эпителиальных клетках); д) щелевидные
(высокопроницаемые) контакты.

Простой контакт
— соединение
клеток за счет пальцевидных впячиваний
и выпячиваний цитомембран соседних
клеток. Специфических структур,
формирующих контакт, нет.

Простые контакты
занимают наиболее обширные участки
соприкасающихся клеток. Посредством
простых контактов осуществляется слабая
механическая связь – адгезия, не
препятствующая транспорту веществ в
межклеточных пространствах. К
запирающим
(изолирующим) относится плотный контакт
(запирающая зона — zona occuludens).

В этом
соединении принимают участие специальные
интегральные белки, расположенные на
поверхности соседних клеток, образующие
подобие ячеистой сети. Эта ячеистая
сеть окружает в виде пояска весь периметр
клетки, соединяясь с такой же сетью на
поверхности соседних клеток. Эта область
непроницаема для макромолекул и ионов
и, следовательно, она запирает,
отграничивает межклеточные щели (и
вместе с ними собственно внутреннюю
среду организма) от внешней среды.

Этот
тип соединений характерен для клеток
однослойных эпителиев и эндотелия.К
сцепляющим,
или заякоривающим, соединениям относятся
адгезивный (сцепляющий) поясок и
десмосомы. Общим для этой группы
соединений является то, что к участкам
плазматических мембран со стороны
ци-топлазмы подходят фибриллярные
элементы цитоскелета, которые как бы
заякориваются на их поверхности.

. Межклеточная адгезия. Адгезивные белки: интегрины, селектины,кадгерины, иммуноглобулины. Медицинское значение.

АДГЕЗИЯ —
сцепление разнородных жидких или твердых
тел в местах контакта их поверхностей.

Интегрины
— поверхностные клеточные рецепторы,
взаимодействующие с внеклеточным
матриксом и передающие различные
межклеточные сигналы. От них зависит
форма клетки, её подвижность, они
участвуют в регулировке клеточного
цикла.

Селектины
— белки из семейства молекул клеточной
адгезии. Селектины являются трансмембранными
гликопротеинами и состоят из единственной
полипептидной цепи. Имеют характерное
сходство с лектинами типа C благодаря
амино-терминальной последовательности
и кальций-зависимого связывания.

Кадгерины
— одно из суперсемейств молекул клеточной
адгезии, обеспечивающие кальций-зависимое
гомофильное соединение клеток.

ИММУНОГЛОБУЛИН,
БЕЛОК, содержащийся в крови, который
играет роль ИММУННОЙ СИСТЕМЫ в организме.
Иммуноглобулины играют роль АНТИТЕЛ
для определенных АНТИГЕНОВ.

. Понятие о клеточном цикле. Фазы клеточного цикла и их продолжительность.

Клеточный цикл
— это период существования клетки от
момента её образования путем деления
материнской клетки до собственного
деления или смерти.

Клеточный цикл
эукариот состоит из двух периодов:

1.Период
клеточного роста, называемый «интерфаза»,
во время которого идет синтез ДНК и
белков и осуществляется подготовка к
делению клетки.

2.Периода клеточного
деления, называемый «фаза М» (от слова
mitosis — митоз).

Интерфаза состоит
из нескольких периодов:

*G1-фазы
(от англ. gap — промежуток), или фазы
начального роста, во время которой идет
синтез мРНК, белков, других клеточных
компонентов;

*S-фазы (от англ.
synthesis — синтетическая), во время которой
идет репликация ДНК клеточного ядра,
также происходит удвоение центриолей
(если они, конечно, есть).

*G2-фазы, во время
которой идет подготовка к митозу.


У дифференцировавшихся
клеток, которые более не делятся, в
клеточном цикле может отсутствовать
G1 фаза. Такие клетки находятся в фазе
покоя G0.

Период клеточного
деления (фаза М) включает две стадии:

митоз (деление
клеточного ядра);

цитокинез (деление
цитоплазмы).


В свою очередь,
митоз делится на пять стадий, in vivo эти
шесть стадий образуют динамическую
последовательность.

Описание клеточного
деления базируется на данных световой
микроскопии в сочетании с микрокиносъемкой
и на результатах световой и электронной
микроскопии фиксированных и окрашенных
клеток.

У животных клеток
интервал между митозами (клеточный
цикл, точнее митотический цикл) составляет
примерно 10-24 ч (в примере, приведенном
на схеме, 24 ч). За это время клетка проходит
четыре фазы жизненного цикла: G1-фазу
начального роста, S-фазу удвоения молекул
ДНК (репликации, см. рис. 239)

, G2-фазу роста
и М-фазу клеточного деления. Наиболее
детально изучена фаза клеточного
деления, митоз (М-фаза). В G1-фазе,
продолжительность которой может сильно
варьировать, происходит синтез мРНК,
белков и других компонентов клетки. У
некоторых клеток в жизненном цикле
может отсутствовать G1-фаза.

Клетки,
которые прошли дифференцировку и больше
не делятся, постоянно находятся в фазе
покоя G0 . При стимуляции митогенами
(например, ростовыми факторами, онкогенными
вирусами) покоящиеся клетки могут
вернуться в состояние, свойственное
фазе G1. ЕСЛИ такие клетки пройдут
критическую точку, они вступают в S-фазу.
G2-фаза является конечным этапом подготовки
клетки к делению.

В совокупности
фазы G1, G0, S и G2 носят название интерфазы.
В клеточном цикле интерфаза сменяется
существенно более короткой фазой митоза
(М).

. Механизмы клеточного деления и регуляции клеточного цикла.

Регуляция
клеточного цикла –
Закономерная последовательность смены
периодов клеточного цикла осуществляется
при взаимодействии таких белков, как
циклин-зависимые киназы и циклины.
Клетки, находящиеся в G0 фазе, могут
вступать в клеточный цикл при действии
на них факторов роста. Разные факторы
роста, такие как тромбоцитарный,
эпидермальный, фактор роста нервов,
связываясь со своими рецепторами,
запускают внутриклеточный сигнальный
каскад, приводящий в итоге к транскрипции
генов циклинов и циклин-зависимых киназ.

Циклин-зависимые киназы становятся
активными лишь при взаимодействии с
соответствующими циклинами. Содержание
различных циклинов в клетке меняется
на протяжении всего клеточного цикла.
Циклин является регуляторной компонентой
комплекса циклин-циклин-зависимая
киназа. Киназа же является каталитическим
компонентом этого комплекса.

Киназы не
активны без циклинов. На разных стадиях
клеточного цикла синтезируются разные
циклины. Так, содержание циклина B в
ооцитах лягушки достигает максимума к
моменту митоза, когда запускается весь
каскад реакций фосфорилирования,
катализируемых комплексом
циклин-В/циклин-зависимая киназа. К
окончанию митоза циклин быстро разрушается
протеиназами.

Механизмы
клеточного деления.

Деление всех
эукариотических клеток связано с
конденсацией удвоенных (реплицированных)
хромосом, которые приобретают вид
плотных нитчатых структур. Эти нитчатые
хромосомы переносятся в дочерние клетки
специальной структурой – веретеном
деления.
Такой тип деления эукариотических
клеток – митоз
(от греч. mitos – нити), или кариокинез,
или непрямое
деление –
является единственным полноценным
способом увеличения числа клеток.

Деление всех
эукариотических клеток связано с
образованием специального аппарата
клеточного деления. При удвоении клеток
происходят два события: расхождение
реплицированных хромосом и разделение
клеточного тела, цитотомия. Первая часть
события у эукариот осуществляется с
помощью так называемого веретена
деления, состоящего из микротрубочек,
а вторая часть происходит за счет участия
акто-миозиновых комплексов, вызывающих
образование перетяжки у клеток животного
происхождения или за счет участия
микротрубочек и актиновых филаментов
в образовании фрагмопласта, первичной
клеточной перегородки у клеток растений.

Митоз.

Митоз – деление
ядра эукариотической клетки с сохранением
числа хромосом Митоз — лишь одна из
частей клеточного цикла, пять фаз:
профаза, прометафаза, метафаза, анафаза
и телофаза. Удвоение хромосом и центриолей
(в клетках животных) происходит еще в
ходе интерфазы. В результате этого в
митоз хромосомы вступают уже удвоенными,
напоминающими букву X (идентичные копии
материнской хромосомы соединены друг
с другом в области центромеры).

В
профазе
происходит конденсация гомологичных
(парных) хромосом и начинается формирование
веретена деления. В клетках животных
начинается расхождение пары центриолей
(полюсов веретена).

Прометафаза
начинается с разрушения ядерной оболочки.
Хромосомы начинают двигаться и их
центромеры вступают в контакт с
микротрубочками веретена деления, а
полюса продолжают расхождение друг от
друга. К концу прометафазы формируется
веретено деления.

В
метафазе
движения хромосом почти полностью
замирают, и кинетохоры хромосом
располагаются на «экваторе» (на равном
расстоянии от «полюсов» ядра) в одной
плоскости, образуя так называемую
метафазную пластинку. Важно отметить,
что они остаются в таком положении в
течение довольно длительного времени.

В анафазе
хромосомы делятся (соединение в районе
центромеры разрушается) и расходятся
к полюсам деления. Параллельно полюса
веретена также расходятся друг от друга.

В телофазе
происходит разрушение веретена деления
и образование ядерных оболочек вокруг
двух групп хромосом, которые деконденсируются
и образуют дочерние ядра.

. Виды полового размножения.


В основе полового
размножения лежит половой
процесс,
суть которого сводится к объединению
в наследственном материале для развития
потомка генетической информации от
двух разных источников
— родителей.

Для
участия в половом размножении в
родительских организмах вырабатываются
гаметы
—клетки,
специализированные к обеспечению
генеративной функции. Слияние материнской
и отцовской гамет приводит к возникновению
зиготы
— клетки,
представляющей собой дочернюю особь
на первой, наиболее ранней стадии
индивидуального развития.

У некоторых
организмов зигота образуется в результате
объединения гамет, неотличимых по
строению. В таких случаях говорят об
изогамии,
У большинства видов по структурным и
функциональным признакам половые клетки
делятся на материнские
(яйцеклетки)
и отцовские
(сперматозоиды).
Образование гамет обоих видов в одном
организме, имеющем и мужскую, и женскую
половые железы, называют гермафродитизмом.

. Гаметогенез. Сперматогенез

Гаметогенез или
предзародышевое развитие — процесс
созревания половых клеток, или гамет.
Поскольку в ходе гаметогенеза специализация
яйцеклеток и спермиев происходит в
разных направлениях, обычно выделяют
овогенез и сперматогенез соответственно.
Гаметогенез закономерно присутствует
в жизненном цикле ряда простейших,
водорослей, грибов, споровых и голосемянных
растений, а также многоклеточных
животных.

Оогенез или
овогенез —
у животных, развитие женской половой
клетки — яйцеклетки.

Овогенез (лат. ovum
— яйцо греч. genesis — зарождение,
происхождение, развитие), процесс
развития женских половых клеток (гамет),
заканчивающийся формированием яйцеклеток.
У женщины в течение менструального
цикла созревает лишь одна яйцеклетка.
Процесс овогенеза имеет принципиальное
сходство со сперматогенезом и также
проходит через ряд стадий: размножения,
роста и созревания.

Затем наступает
период роста овогониев, когда их называют
овоцитами I порядка. Они окружены одним
слоем клеток — гранулёзной оболочкой
— и образуют так называемые примордиальные
фолликулы (см. также Фолликул яичниковый).
Плод женского пола накануне рождения
содержит около 2 млн. этих фолликулов,
но лишь примерно 450 из них достигают
стадии овоцитов II порядка и выходят из
яичника в процессе овуляции.

Созревание
овоцита сопровождается двумя
последовательными делениями, приводящими
к уменьшению числа хромосом в клетке
вдвое. В результате первого деления
мейоза образуется крупный овоцит II
порядка и первое полярное тельце, а
после второго деления — зрелая, способная
к оплодотворению и дальнейшему развитию
яйцеклетка с гаплоидным набором хромосом
и второе полярное тельце. Полярные
тельца представляют собой мелкие клетки,
не играют роли в овогенезе и в конечном
счёте разрушаются.

В отличие от
образования спермиев (сперматозоидов)
у мужчин, которое начинается только в
период полового созревания, образование
яйцеклеток у женщин начинается ещё до
их рождения и завершается для каждой
данной яйцеклетки только после её
оплодотворения. Поэтому любые
неблагоприятные факторы внешней среды,
начиная со стадии внутриутробного
развития девочки, могут повлечь за собой
генетические аномалии у её потомства.

Пространственная организация и структура днк

ДНК
(дезоксирибонуклеиновая кислота) –
биологический полимер, состоящий из
двух полинуклеотидных цепей, соединенных
друг с другом. Мономеры, составляющие
каждую из цепей ДНК, представляют собой
сложные органические соединения,
включающие одно из четырех азотистых
оснований: аденин (А) или тимин (Т), цитозин
(Ц)

Эти цепи соединяются
друг с другом водородными связями между
их азотистыми основаниями по принципу
комплементарности. Аденин одной цепи
соединяется двумя водородными связями
с тимином другой цепи, а между гуанином
и цитозином разных цепей образуются
три водородные связи. Такое соединение
азотистых оснований обеспечивает
прочную связь двух цепей и сохранение
равного расстояния между ними на всем
протяжении.


Другой
важной особенностью объединения двух
полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК
является их антипараллельность:
5′-конец
одной цепи соединяется с 3′-концом другой,
и наоборот.

Молекула
ДНК, сост. Из двух цепей, образует спираль,
закрученную вокруг собственной оси.
Диаметр спирали составляет
2 нм, длина
шага
— 3, 4 нм. В
каждый виток входит
10 пар
нуклеотидов.

*
Чаще всего двойные спирали являются
правозакрученными. Большинство молекул
ДНК в растворе находится в правозакрученной
— В-форме
(В-ДНК). Однако встречаются также
левозакрученные формы
(Z-ДНК).
Какое количество этой ДНК присутствует
в клетках и каково ее биологическое
значение, пока не установлено.

*
Таким образом, в структурной организации
молекулы ДНК можно выделить первичную
структуру
— полинуклеотидную
цепь, вторичную
структуру—две
комплементарные друг другу и
антипараллельные полинуклеотидные
цепи, соединенные водородными связями,
и третичную
структуру

трехмерную спираль с приведенными выше
пространственными характеристиками.

Типы рнк в клетке. Функции различных рнк


Роль
посредника, функцией которого является
перевод наследственной информации,
сохраняемой в ДНК, в рабочую форму,
играют рибонуклеиновые
кислоты
— РНК.

Известны двух –
и одно цепочечные молекулы РНК.
Двухцепочечные РНК служат для хранения
и воспроизведения наследственной
информации у некоторых вирусов, т.е. у
них выполняется функции хромосом.
Одноцепочечные РНК осуществляют перенос
информации о последовательности
аминокислот в белках от хромосомы к
месту их синтеза и участвуют в процессах
синтеза.

В
отличие от молекул ДНК рибонуклеиновые
кислоты представлены одной полинуклеотидной
цепью, которая состоит из четырех
разновидностей нуклеотидов, содержащих
сахар, рибозу, фосфат и одно из четырех
азотистых оснований
— аденин,
гуанин, урацил или цитозин. РНК
синтезируется на молекулах ДНК при
помощи ферментов РНК-полимераз с
соблюдением принципа комплементарности
и антипараллельности, причем аденину
ДНК в РНК комплементарен урацил. Все
многообразие РНК, действующих в клетке,
можно разделить на три основных вида:
мРНК, тРНК, рРНК.

Матричная,
или информационная, РНК (мРНК, или иРНК).
Транскрипция.
Для того чтобы синтезировать белки с
заданными свойствами, к месту их
построения поступает «инструкция» о
порядке включения аминокислот в пептидную
цепь. Эта инструкция заключена в
нуклеотидной последовательности
матричных,
или информационных
РНК (мРНК,
иРНК), синтезируемых на соответствующих
участках ДНК. Процесс синтеза мРНК
называют транскрипцией.

Синтез
мРНК начинается с обнаружения
РНК-полимеразой особого участка в
молекуле ДНК, который указывает место
начала транскрипции
— промотора.
После присоединения к промотору
РНК-полимераза раскручивает прилежащий
виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом
месте расходятся, и на одной из них
фермент осуществляет синтез мРНК.

Сборка
рибонуклеотидов в цепь происходит с
соблюдением их комплементарности
нуклеотидам ДНК, а также антипараллельно
по отношению к матричной цепи ДНК. В
связи с тем, что РНК-полимераза способна
собирать полинуклеотид лишь от
5′-конца к
3′-концу,
матрицей для транскрипции может служить
только одна из двух цепей ДНК, а именно
та, которая обращена к ферменту своим
3′-концом (3′
→ 5′). Такуюцепь называют
кодогенной

тРНК
— РНК, функцией которой является
транспортировка аминокислот к месту
синтеза белка. тРНК также принимают
непосредственное участие в наращивании
полипептидной цепи, присоединяясь —
будучи в комплексе с аминокислотой —
к кодону мРНК и обеспечивая необходимую
для образования новой пептидной связи
конформацию комплекса.

Для каждой
аминокислоты существует своя тРНК.тРНК
является одноцепочечной РНК, однако в
функциональной форме имеет конформацию
«листа клевера» или «кловерлиф» (англ.
cloverleaf). Аминокислота ковалентно
присоединяется к 3′-концу молекулы с
помощью специфичного для каждого типа
тРНК фермента аминоацил-тРНК-синтетазы.
На участке C находится антикодон,
соответствующий аминокислоте.

(рРНК)
— несколько молекул РНК, составляющих
основу рибосомы. Основной функцией рРНК
является осуществление процесса
трансляции — считывания информации с
мРНК при помощи адапторных молекул тРНК
и катализ образования пептидных связей
между присоединёнными к тРНК аминокислотами.

Рибосомные РНК
являются не только структурным компонентом
рибосом, но и обеспечивают связывание
их с определенной нуклеотидной
последовательностью мРНК. Этим
устанавливаются начало и рамка считывания
при образовании пептидной цепи. Кроме
того, они обеспечивают взаимодействие
рибосомы и тРНК.

Общие свойства биологических мембран

Мембраны различаются как по функции, так и по структуре. Однако всем им присущи следующие основные свойства.

1. Мембраны представляют собой плоскую структуру толщиной в несколько молекул, образующую сплошную перегородку между отдельными отсеками (компартментами). Толщина мембран составляет обычно 60 – 100Å.

2. Мембраны состоят главным образом из липидов и белков. Весовое соотношение белков и липидов для большинства биологических мембран лежит в пределах от 1:4 до 4:1. В мембранах имеются также углеводные компоненты, связанные с липидами и белками,

3. Липиды мембран представлены относительно небольшими молекулами, несущими гидрофильные и гидрофобные группы. В водной среде эти липиды спонтанно образуют замкнутые бимолекулярные слои. Такие липидные двойные слои (бислои) служат барьером для полярных соединений.

4. Отдельные функции мембран опосредуются специфическими белками. Белки выполняют роль насосов, каналов, рецепторов, ферментов и преобразователей энергии. Белки мембран встроены (интеркалированы) в липидный бислой, что создает пригодную для проявления их активности среду.

5. Мембраны – нековалентные надмолекулярные структуры; составляющие мембрану белки и липиды удерживаются вместе благодаря возникновению множества нековалентных взаимодействий, кооперативных по своему характеру.

6. Мембраны асимметричны: их наружная и внутренняя поверхности отличаются друг от друга.

7. Мембраны – жидкие структуры. Если молекулы липидов, так же как и белков, не зафиксированы в определенном месте силами специфического взаимодействия, то они легко диффундируют в плоскости мембраны.

Состав мембраны

Мембраны можно рассматривать как двумерные растворы определенным образом ориентированных белков и липидов.

Во всех мембранах имеются полярные липиды в количестве, составляющем в зависимости от типа мембраны от 20 до 80% ее массы, остальное приходится главным образом на долю белков. Так, в плазматических мембранах животных клеток количество белков и липидов, как правило, примерно одинаково; во внутренней митохондриальной мембране содержится около 80% белков и только 20% липидов, а в миелиновых мембранах мозга, наоборот, около 80% липидов и только 20% белков. Липидная часть мембран представляет собой смесь различного рода полярных или амфипатических липидов.

В мембранах животных клеток присутствуют в основном фосфоглицериды и в меньших количествах сфинголипиды. Триацилглицеролы обнаруживаются лишь в следовых количествах. К числу важных липидных компонентов многих мембран относится и холестерол. Он присутствует у эукариот, и его нет у большинства прокариот.

Как было сказано выше, гликолипиды высших организмов представлены производными сфингозина с одним или более остатками сахара. В мембранных гликопротеинах одна или несколько углеводных цепей присоединены к боковым цепям серина, треонина или аспарагина (обычно через N-ацетилглюкозамин или N-ацетилгалактозамин).

Возможно, что углеводные группы служат для ориентирования гликопротеинов в мембране. Обладая ярко выраженными гидрофильными свойствами, остатки сахаров в гликопротеинах или гликолипидах должны располагаться на поверхности мембраны, а не в ее углеводородной сердцевине. Энергетическая цена встраивания олигосахаридной цепи в углеводородное окружение внутри мембраны очень высока. Стало быть, существует барьер, препятствующий свободному вращению гликопротеина от одной стороны мембраны к другой.

Углеводные компоненты мембранных гликопротеинов способствуют поддержанию асимметрии биологических мембран. Для каждого типа мембран любой животной клетки характерен свой относительно постоянный липидный состав. В различных мембранах на долю белков приходится от 20 до 80% массы. В мембране эритроцита, например, содержится около 20 различных белков, а во внутренней митохондриальной мембране их значительно больше. Некоторые белки в мембранах обладают ферментативной активностью, другие обеспечивают связывание и перенос молекул полярных веществ через мембраны.

Мембранные белки различаются по характеру связи с мембранными структурами. Одни белки, называемые внешними, или периферическими, непрочно связаны с поверхностью мембраны; другие, называемые внутренними, или интегральными, погружены внутрь мембраны и даже могут пронизывать ее насквозь.

Строение мембраны

В 1972 г. Джонатан Сингер и Гарт Николсон предложили жидкостно-мозаичную модель, объясняющую в общих чертах организацию биологических мембран. Согласно этой модели, мембраны представляют собой двумерные растворы определенным образом ориентированных глобулярных белков и липидов (Рисунок 54).

Рисунок 54. Схема строения мембраны

1. Большая часть мембранных фосфолипидов и гликолипидов представлена в виде бислоя. Липидный бислой играет двоякую роль, будучи одновременно растворителем для интегральных белков мембраны и барьером проницаемости.

2. Небольшая часть мембранных липидов специфически связана с определенными мембранными белками и, вероятно, необходима для их функционирования.

3. Мембранные белки свободно диффундируют в липидном матриксе в латеральном направлении, но не могут перемещаться в поперечном направлении, т. е. от одной поверхности мембраны к другой.

Природные мембраны характеризуются очень малой толщиной (от 6 до 9 нм), эластичностью, а также тем, что они находятся в жидком состоянии. Через мембраны легко проходит вода, но они практически полностью непроницаемы для заряженных ионов типа Na , Сl‒ или Н и для полярных, но не заряженных молекул, например сахаров.

Гликокаликс – это «пушистая оболочка» состоит из гидрофильных олигосахаридных групп гликопротеинов и гликолипидов, ее толщина – около 100 нм, что приблизительно в 10 раз превышает толщину липидного бислоя.

Мембраны – жидкие кристаллы

Биологические мембраны – это не застывшие структуры. Напротив, и липиды, и многие белки мембран постоянно перемещаются в латеральном направлении (Рисунок 55). Быстрое движение белков мембраны выявляется с помощью флуоресцентной микроскопии при следующей постановке опыта. Культивируемые клетки человека и клетки мыши можно заставить слиться друг с другом; образующаяся при этом гибридная клетка называется гетерокарион.

Одна часть плазматической мембраны гетерокариона происходит из клетки мыши, а другая – из клетки человека. Остаются ли мембранные белки мыши и человека разделенными в гетерокарионе или они смешиваются? Для ответа на этот вопрос использовали маркеры, а именно антитела с флуоресцентной меткой и далее визуально наблюдали за ними с помощью светового микроскопа. Антитело к мембранным белкам мыши имело зеленую флуоресценцию, а антитело к мембранным белкам человека – красную.

В новообразованном гетерокарионе одна половина поверхности светилась зеленым, а другая – красным. Однако меньше чем через час (при 37°С) участки зеленой и красной флуоресценции полностью смешивались. Этот опыт показывает, что мембранный белок способен диффундировать на расстояние порядка нескольких микрон примерно за 1 мин.

В отличие от липидов белки очень неоднородны в отношении латеральной подвижности. Некоторые белки почти так же подвижны, как липиды, другие – практически неподвижны. В отличие от движения в плоскости мембраны спонтанное перемещение липидов от одной поверхности мембраны к другой происходит очень медленно.

Перемещние молекулы с одной поверхности мембраны на другую называют поперечной диффузией (или «flip-flop» -перескок), тогда как диффузию молекул в плоскости мембраны называют латеральной диффузией. Методом электронного парамагнитного резонанса было проведено прямое определение поперечной диффузии фосфолипидных молекул в фосфатидилхолиновых пузырьках; оказалось, что переход молекулы фосфолипида с одной стороны бислоя на другую совершается один раз за несколько часов.

Энергетический барьер для поперечной диффузии молекул белка еще выше, чем для липидов, поскольку в белках значительно больше полярных участков. Проведенные исследования не выявили поперечной диффузии белка. Следовательно, асимметрия мембран сохраняется на довольно длительное время.

Мембрана должна обладать определенной текучестью, но изменение окружающей температуры может ее изменять, это связано с температурой плавления липидов в бислое. Текучесть мембран зависит от состава жирных кислот и содержания холестерола.

Рисунок 55. Доказательства жидко-кристалличности мембраны. А – схема доказательства, что мембрана жидкая; Б – схема упорядоченности мембраны и механизмы ее нарушающие

В мембранном бислое цепи жирных кислот в молекулах липидов могут находиться либо в строго упорядоченном жестком, либо в относительно дезорганизованном, жидком состоянии. В упорядоченном состоянии все связи С – С имеют транс-конформацию, тогда как в неупорядоченном – гош-конформацию. Переход от твердого (полностью транс-) к жидкому (частично гош-) состоянию происходит при повышении температуры выше точки плавления Тпл.

Этот температурный переход зависит от длины цепи и степени ненасыщенности ацильного остатка. Наличие насыщенных ацильных остатков благоприятствует жесткому состоянию, так как прямые углеводородные цепи легко взаимодействуют между собой. Наличие же двойной связи цис-конфигурации приводит к изгибу углеводородной цепи, из-за которого нарушается строгая упорядоченность укладки ацильных остатков, и в результате Тпл снижается.

Температура перехода из жесткого состояния в жидкое зависит также от длины цепи. Длинные углеводородные цепи образуют более прочные связи друг с другом, чем короткие. В частности, каждая дополнительная группа – СН2– изменяет свободную энергию связи двух прилежащих углеводородных цепей на – 0,5 ккал/моль.

Прокариоты регулируют текучесть своих мембран путем изменения числа двойных связей и длины ацильных цепей. Так, соотношение насыщенных и ненасыщенных остатков жирных кислот в мембране Е. coliснижалось с 1,6 до 1,0 при понижении температуры среды с 42°С до 27°С. Такое уменьшение доли насыщенных жирных кислот предотвращает чрезмерное затвердевание мембраны при пониженной температуре. У эукариот ключевым регулятором текучести мембран является также холестерол.

Находясь между ацильным и цепями, холестерол препятствует их кристаллизации. В сущности, из-за холестерола исчечает фазовый переход. С другой стороны, холестерол стерически блокирует сильное перемещение ацильных цепей и тем самым снижает текучесть мембран. Таким образом, благодаря этим взаимопротивоположным эффектам холестерола текучесть мембран поддерживается на каком-то среднем уровне.

С другой стороны липиды и белки являются кристаллами. Степень кристалличности определяется упорядоченностью структуры. Максимально упорядочены хвосты насыщенных жирных кислот, взаимодействующие между собой за счет ван-дер-ваальсовых связей. Двойные связи изменяют углы связей, образуя Г-подобные структуры, нарушая упорядоченность. Холестерин, «раздвигая» хвосты, также нарушает упорядоченность.

Асимметрия мембран

Мембраны асимметричны как по структуре, так и по функциям; об этом свидетельствуют примеры ориентации гликофорина и анионного канала, а также – более общий случай – локализация углеводов на наружной поверхности мембран. Наружная и внутренняя поверхности всех известных биологических мембран различаются по составу и ферментативной активности. Асимметрия затрагивает как липидный так и белковый компоненты мембраны. Особенно это характерно для плазматической мембраны.

В липидном компоненте гликолипиды преобладают в той части бислоя, которая обращена во внешнюю среду, фосфолипиды преобладают в цитоплазматической части бислоя.

Интегральные белки четко ориентированы в бислое, таким образом чтобы выполнять свои функции поэтому домены разных слоях бислоя не совпадают. Например, Na -K -нacoc ориентирован в плазматической мембране таким образом, что выводит Na из клетки и насасывает К в клетку.

Функции мембраны

Барьерная. Липидные бислои ограничивают как клетку, так и отдельные ее компартменты, являясь барьером для большинства веществ. Липиды образуют гидрофобный барьер между водными (гидрофильными) компартментами клетки, и вещества растворимые в воде не могут пройти этот барьер, тк как не растворимы в гидрофобной части липидов.

Транспортная. Плазматическая мембрана, так же как и другие липопротеидные мембраны клетки, является полупроницаемой. Это значит, что через нее с различной скоростью проходят разные молекулы и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Это свойство определяет плазматическую мембрану как осмотический барьер.

Максимальной проникающей способностью обладают вода и растворенные в ней газы, значительно медленнее проникают сквозь мембрану ионы (примерно в 104 раз медленнее). Транспорт веществ через мембрану подразделяют на пассивный (простая и облегченная диффузия) идет по градиенту концентрации, без затрат энергии, и активный – против градиента концентрации с затратой энергии (Рисунок 56).

Газы, вода и гидрофобные вещества транспортируются диффузией через липидный бислой – простая диффузия. Все заряженные молекулы транспортируются белками. Белки-каналы осуществляют простую диффузию (например, порины), пермеазы – облегченную, среди пермеаз выделяют унипорты (переносят один тип молекул), симпорты (две молекулы в одном направлении) и антипорты (две молекулы в противоположных направлениях)

например, АДФ/АТФ – антипорт в митохондриях. Активный транспорт осуществляют «насосы», являющиеся АТФ-азами и использующие энергию гидролиза АТФ для переноса веществ против градиента концентрации. Например, Na -K -нacoc выводит Na из клетки и насасывает K в клетку., и Са2 -насос переносящий Са2 из цитоплазмы в гладкий эндоплазматический ретикулум (ЭПС).

Рисунок 56. Типы транспорта через мембрану

Сигнальная. Сигналы для распознавания другими клетками расположены на внеклеточной части мембраны, и образованы углеводным компонентом гликолипидов и гликопротеидов. Уникальная структура углеводных цепей гликолипидов и гликопротеидов формирует уникальную структуру гликокаликса. Это создает уникальную поверхность клетки, и создает набор признаков, по которым рецепторы других клеток опознают клетку.

Рецепторная. Распознавание внешних сигналов обеспечивается белками рецепторами. На внешней поверхности мембран имеются специфические распознающие участки, функции которых состоят в распознавании определенных молекулярных сигналов. Например, именно посредством мембраны некоторые бактерии воспринимают незначительные изменения концентрации питательного вещества, что стимулирует их движение к источнику пищи; это явление носит название хемотаксиса.

На внешней поверхности мембран животных клеток есть также участки, узнающие другие клетки того же типа и тем самым способствующие связыванию клеток друг с другом в процессе формирования тканей. Распознающие участки еще одного типа служат специфическими рецепторами гормонов. Так, определенные участки на поверхности клеток печени и мышц распознают и связывают такие гормоны, как инсулин, глюкагон и адреналин.

Ферментативная. В состав мембран входит много белков ферментов (киназы, липазы, АТФ-азы и др.). Белки-ферменты участвуют во-первых в функционировании мембраны (транспортные АТФ-азы, ферменты, регулирующие свойства мембраны, вводя двойные связи или удаляя их), во-вторых это ферменты систем ассоциированных с мембранами: электронтранспортных цепей дыхания и фотосинтеза, беков, передающих сигналы, как в случае передачи сигналов гормонами.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Kreon-Info.ru