Биологические мембраны. Основные компоненты. Строение. Свойства. Функции. Трансмембранный транспорт. G – белки

1. Биологические мембраны. Основные компоненты. Строение. Свойства. Функции. Трансмембранный транспорт. G – белки.

Иванова И.Б., к.б.н. доцент кафедры
биологии и генетики ДВГМУ

2. План лекции:

1. Ультраструктура клеточных мембран.
2. Молекулярное строение
цитоплазматических мембран.
3. Физическая природа сил взаимодействия
белков и липидов в структурах мембран.
4. Методы изучения мембран.
5. Искусственные модели
цитоплазматических мембран.

3. Важнейшими условиями существования клетки является:

1. Автономность по отношению к окружающей
среде.
2. Связь с окружающей средой.

4.

Клеточная мембра́на (также цитолемма, плазмолемма, или
плазматическая мембрана) — эластическая молекулярная
структура, состоящая из белков и липидов. Отделяет
содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её
целостность; регулирует обмен между клеткой и средой;
внутриклеточные мембраны разделяют клетку на
специализированные замкнутые отсеки — компартменты или
органеллы, в которых поддерживаются определённые условия
среды.

5. История исследования

• В 1925 году Гортер и Грендель с помощью осмотического удара
получили так называемые «тени» эритроцитов — их пустые
оболочки. Был открыт липидный бислой.
• В 1935 году Даниэлли и Доусон представили научному
сообществу модель «сендвича», которая говорит о том, что в
основе мембраны лежит липидный бислой, по обеим сторонам
от которого находятся сплошные слои белков, внутри бислоя
ничего нет. Первые электронно-микроскопические исследования
1950-х годов подтвердили эту теорию — на микрофотографиях
были видны 2 электронно-плотных слоя — белковые молекулы и
головки липидов и один электронно-прозрачный слой между
ними — хвосты липидов.

6. Молекулярное строение клеточных мембран

- В 1902 г. - Овертон предположил, что мембрана
состоит из тонкого слоя липидов.
- В1925 г. - Гортер и Грендел в опытах с липидами,
экстрагированными из мембран эритроцитов,
обнаружили, что площадь монослоя липидов вдвое
больше суммарной площади поверхности всех
эритроцитов.
Был сделан вывод, что липиды мембраны расположены в
виде бимолекулярного слоя.

7. Молекулярное строение клеточных мембран

В 1935 Даниэлли и Доусон предложили
модель строения мембраны, получившей
название «сэндвич».
Согласно этой модели, имеются 2 слоя
молекул фосфолипидов, которые
окружены слоями белка.
Трехслойная модель СтенаДаниэлли с полярной порой,
образованной молекулами белка.

8. Молекулярное строение клеточных мембран

В 1959 г. Дж. Робертсоном была
выдвинута теория унитарной мембраны,
состоящей из одного слоя
фосфолипидов, покрытого с
цитоплазматической стороны слоем
фибриллярного белка, а с наружной
поверхности – мукополисахаридами или
мукопротеидами.
Модель Шестранда – липидная фаза
мембраны существует в виде
глобулярных мицелл,
представляющих комплекс
липидных молекул, залитых в
белковый матрикс.

9.

Все это привело к созданию в 1972
году Сингером (S. Jonathan Singer) и
Николсоном (Garth L. Nicolson)
жидкостно-мозаичной модели
строения мембраны.
Согласно этой модели белки в
мембране не образуют сплошной
слой на поверхности, а делятся на
интегральные, полуинтегральные
и периферические.

10.

В основе биомембраны – двойной слой:
1. Амфифильные липиды (липидный
слой). Молекула мембранного липида
имеет гидрофильную «головку» и два
гидрофобных «хвоста» (длинная
углеводородная цепь: одна предельная,
не содержит двойных связей, а вторая
непредельная – имеет одну и более
двойных связей).
2. Белки. Интегральные белки глубоко
встроены в мембрану, насквозь
пронизывают липидный бислой.
Периферические белки связаны только с
одной из поверхностей мембраны.

11. Структура и состав биомембран

• Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды,
гликолипиды и холестерол.
• Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним
углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных
углеводородных «хвостов», которые связаны с заряженной
гидрофильной «головой».
• Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное
пространство между гидрофобными хвостами липидов и не
позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым
содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более
жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором»,
препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в
клетку.

12.

Липидный слой – это основная структура мембраны,
которая создает относительно непроницаемый барьер
для большинства водорастворимых молекул.
Классы:
• Фосфолипиды (ФЛ)
• Сфинголипиды (СЛ)
• Гликолипиды (ГЛ)
• Стероиды, холестерин (ХС)

13.

У фосфолипидов (ФЛ) в состав «головки» входят остатки азотистого
основания (холина, коламина или серина), фосфатной группы и
трехатомного спирта глицерина. Группа – гидрофильная.
Остатки ЖК , образующие «хвосты», соединены с глицерином.
Насыщенные кислоты - пальмитиновая к-та, ненасыщенная – олеиновая
к-та.

14. Строение фосфолипида

15.

Сфинголипиды (СЛ) – вместо глицерина и одной из
жирной кислот, включают сфингозин (сфингенин) –
2-х атомный аминоспирт.
Существует несколько заболеваний, связанных с
нарушенным метаболизмом сфинголипидов
(сфинголипидозы). Наиболее распространённая из
них — это болезнь Гоше.

16.

Гликолипиды - сложные липиды, образующиеся в результате
соединения липидов с углеводами. В молекулах гликолипидов
есть полярные «головы» (углевод) и неполярные «хвосты»
(остатки жирных кислот). Благодаря этому гликолипиды
(вместе с фосфолипидами) входят в состав клеточных
мембран.
Гликолипиды широко представлены в тканях, особенно в
нервной ткани, в частности в ткани мозга. Они локализованы
преимущественно на наружной поверхности плазматической
мембраны, где их углеводные компоненты входят в число
других углеводов клеточной поверхности.

17.

Холестери́н (др.-греч. χολή — желчь и στερεός — твёрдый) —
органическое соединение, природный жирный (липофильный)
спирт, содержащийся в клеточных мембранах всех живых
организмов, за исключением безъядерных (прокариоты).
Нерастворим в воде, растворим в жирах и органических
растворителях.
Холестерин обеспечивает стабильность клеточных мембран в
широком интервале температур. Он необходим для выработки
витамина D, выработки надпочечниками различных стероидных
гормонов, включая кортизол, альдостерон, женских половых
гормонов эстрогенов и прогестерона, мужского полового гормона
тестостерона, играет важную роль в деятельности нервной и
иммунной системы.

18.

Липосомы – это нано частицы с пузырьковой структурой.
Липосомы самопроизвольно образуются в смесях
фосфолипидов (сложных липидов) с водой.
Стенки липосомы состоят из одного или нескольких слоев
фосфолипидов толщиной в две молекулы. Внутренний объем
липосомы наполнен водой или раствором.
Размеры и форма липосомы зависят от кислотности среды,
присутствующими солями и т.д. По размеру липосомы
разделяют на моноламеллярные везикулы с одинарным слоем
фосфолипидов и диаметром в 20-50 нм, крупные
моноламеллярные везикулы диаметром 50-200 нм и на
мультиламеллярные везикулы, стенки которых могут включать
десятки сотни слоев, достигающие в диаметре 5000-10000нм.
Мицеллы – тоже сферические частицы, но образованы одним
слоем липидов. Гидрофильные «головки» всех липидных
молекул находятся на наружной поверхности частицы, а
гидрофобне «хвосты» обращены внутрь, к центру мицеллы,
внутренняя сторона не водная, а гидрофобная.

19.

Мембранные липиды – амфипатические молекулы,
и в водной среде большинство из них
самопроизвольно образует бислои.
Именно это свойство обусловливает самосборку
липидных бислоев в клетке и их способность
самопроизвольно восстанавливаться при
повреждениях.
Различный липидный состав характерен и для
разных мембран одной и той же эукариотической
клетки.

20.

Важную часть мембраны составляют белки,
пронизывающие её и отвечающие за
разнообразные свойства мембран. Их состав и
ориентация в разных мембранах различаются.
Рядом с белками находятся аннулярные липиды —
они более упорядочены, менее подвижны, имеют в
составе более насыщенные жирные кислоты и
выделяются из мембраны вместе с белком. Без
аннулярных липидов белки мембраны не работают.

21.

Белки мембраны клеток представлены, в
основном, гликопротеинами.
Различают:
•интегральные белки, проникающие через всю
толщу мембраны и
•периферические белки, прикрепленные
только к поверхности мембраны, в основном, к
внутренней ее части.

22.

Периферические белки почти все функционируют как
энзимы (ацетилхолинестераза, кислая и шелочная фосфатазы
и др.). Но некоторые энзимы также представлены
интегральными белками — АТФ-аза.
Интегральные белки обеспечивают селективный обмен
ионов через каналы мембран между экстрацеллюлярной и
интрацеллюлярной жидкостью, а также действуют как белки
— переносчики крупных молекул.
Рецепторы и антигены мембраны могут быть представлены
как интегральными, так и периферическими белками.
Белки, примыкающие к мембране с цитоплазматической
стороны, относятся к цитоскелету клетки. Они могут
прикрепляться к мембранным белкам.

23.

Схема расположения белков в примембранном цитоскелете
эритроцитов.
1 — спектрин; 2 — анкирин; 3 — белок полосы 3; 4 — белок полосы 4,1; 5
— белок полосы 4,9; 6 — олигомер актина; 7 — белок 6; 8 — гпикофорин А;
9 — мембрана.

24.

Спектрин является основным белком цитоскелета,
составляющим двумерную сеть, к которой
прикрепляется актин.
Актин образует микрофиламенты, представляющие
собой сократительный аппарат цитоскелета.
Цитоскелет позволяет клетке проявлять
гибкоэластические свойства, обеспечивает
дополнительную прочность мембраны.

25.

Гликофорин – интегральный белок. Он
пронизывает всю мембрану и с обей сторон
выступает над ее поверхностью.
В состав белка входит сиаловая кислота,
благодаря ей, эритроцит несет отрицательный
заряд, который препятствует слипанию
эритроцитов друг с другом.

26. Виды мембранных белков

• Структурные
• Транспортные
• Белки, обеспечивающие межклеточное
взаимодействие
• Белки, участвующие в передачи сигналов

27. Структурные белки

• Придают клетке и органеллам определенную
форму
• Придают мембране механические свойства
(эластичность и т.д.)
• Обеспечивают связь мембраны с цитоскелетом
или (в случае с ядерной мембраной) с
хромосомами.

28. Транспортные белки

• Создают устойчивые транспортные потоки
определенных веществ через мембраны
• Транспорт ионов приводит к возникновению
трансмембранного потенциала во всех клетках, а
также к его изменениям в нервных и мышечных
клетках и волокнах (возбудимость и
проводимость).

29. Белки, обеспечивающие межклеточное взаимодействие

• Адгезивные белки – для связывания клеток
друг с другом или неклеточными структурами
(базальной мембраной, волокнами).
• Белки, участвующие в образовании
специализированных межклеточных
контактов (демосом и др.).

30. Белки, участвующие в передачи сигналов

•Рецепторные белки
•Белки эффекторного устройства
•Фермент инактивации медиатора.

31.

Клеточные мембраны часто асимметричны, то есть слои
отличаются по составу липидов, в наружном содержатся
преимущественно фосфатидилинозитол, фосфатидилхолин,
сфингомиелины и гликолипиды, во внутреннем —
фосфатидилсерин, осфатидилэтаноламин и
фосфатидилинозитол. Переход отдельной молекулы из
одного слоя в другой (так называемый флип-флоп)
затруднён, но может происходить спонтанно, примерно раз
в 6 месяцев или с помощью белков-флиппаз и скрамблазы
плазматической мембраны. Если в наружном слое
появляется фосфатидилсерин, это является сигналом для
макрофагов о необходимости уничтожения клетки.

32. Гидрофобные и гидрофильные силы взаимодействия

В подержание структуры мембраны большую
роль играют гидрофобные и гидрофильные силы
взаимодействия. За счет гидрофобных сил
взаимодействия формируется липидный бислой,
а также прикрепление к липидному слою
неполярных областей в белке.

33. Гидрофильные силы взаимодействия способствуют удержанию белков на поверхности бислоя фосфолипидов. Таким образом, гидрофильные

и
гидрофобные силы взаимодействия способствуют
поддержанию стабильной целостности структуры
биологической мембраны, а также обеспечивают
высокую подвижность, приспособляемость к
выполнению многочисленных функций.

34. Основные свойства мембран

•Замкнутость
•Латеральная подвижность
•Асимметрия

35. Замкнутость

Липидные бислои (и мембраны) всегда
самостоятельно замыкаются на себе с
образованием полностью отграниченных
отсеков.
При нарушении целостности мембраны
происходит ее «самосшивание».

36. Латеральная подвижность

Компоненты мембраны могут перемещаться в
пределах своего слоя.
Мембраны обладают свойствами двумерных
жидкостей. По этой причине модель строения
биомембран называется жидкостно-мозаичной.
Некоторые мембранные белки способны совершать
вращательные движения, меняя свою ориентацию
относительно поверхностей мембраны.

37. Асимметрия

Наружная и внутренняя поверхности мембраны различаются по своему
составу:
1. Углеводные компоненты находятся с внешней поверхности
плазмолеммы;
2. Многие белки расположены всегда только с наружной, а другие только с внутренней стороны;
3. Нередко различается липидный состав слоев бислоя.
Полярность (асимметрия) мембраны возникает на ранних стадиях ее
формирования и затем все время сохраняется.

38. Свойства мембраны

• 1. Проницаемость.
• 2. Полупроницаемость.
• 3. Избирательная проницаемость.
• 4. Активная проницаемость.
• 5. Управляемая проницаемость.
• Как видим, основное свойство мембраны - это её проницаемость
по отношению к различным веществам.
• 6. Фагоцитоц и пиноцитоз.
• 7. Экзоцитоз.
• 8. Наличие электрических и химических потенциалов.
• 9. Изменения электрического потенциала.

39.

• 10. Раздражимость.
• 11. Каталитическая ферментативная активность. Ферменты
могут быть встроены в мембрану или связаны с её
поверхностью (как внутри, так и снаружи клетки), и там они
осуществляют свою ферментативную деятельность.

40. Основные функции биологических мембран:

1. Барьерная – обеспечивает селективный
регулируемый, пассивный и активный обмен веществ
2. Матричная – обеспечивает определенное взаимное
расположение и ориентацию мембранных белков,
обеспечивает их оптимальное взаимодействие

41. Основные функции биологических мембран:

3. Механическая – обеспечивает прочность и
автономность клетки, внутриклеточных структур
4. Энергетическая – синтез АТФ на внутренних
мембранах митохондрий и фотосинтез в
мембранах хлоропластов

42. Основные функции биологических мембран:

5. Рецепторная (механическая, акустическая,
обонятельная, зрительная, химическая,
терморецепция и тд.)
6. Генерация и проведение биопотенциалов

43. Существуют 4 способа ассоциации белков с липидным слоем:

1. интегральные белки, пронизывающие
мембрану насквозь
2. поверхностные белки, погруженные в
липидном бислое частично
3. белки, удерживающиеся
нековалентными взаимодействиями с
другими мембранными белками
4. белки, ковалентно соединенные с одной
или двумя цепями жирных кислот.

44. Методы изучения и исследования биомембран

Метод рентгеноструктурного анализа – основан
на явлении дифракции. Дифракция наблюдается в
тех случаях, когда на пути лучей имеются
препятствия, сравнимые по размерам с длиной
волны лучей. Метод рентгеноструктурного анализа
заключается в том, что на исследуемый объект
направ-ляют параллельный пучок рентгеновских
лучей. За объектом помещают фотопленку, на
которой регистрируется получающаяся
дифракционная картинка.

45. Методы изучения и исследования биомембран

1. Метод рентгеновского рассеивания нейтронов.
Метод рассеивания нейтронов под малыми
углами позволяет определить толщину бислоя
фосфолипидов и расстояние между слоями.

46. Метод моделирования мембран

1. В 1917 г. Лэнгмюр разработал технику
получения модели мономолекулярного слоя
фосфолипидов – модель «частокол
Лэнгмюра». На поверхность воды наносили
каплю фосфолипидов, растворенных в
каком-либо растворителе. Молекулы
липидов располагаются перпендикулярно к
поверхности воды: гидрофильная полярная
группа «головка» погружена в воду, а
неполярный «хвостик» направлен вверх.
воздух
вода

47. Метод моделирования мембран

2.
В 1962 Мюллер и Рудин разработали способ получения больших двуслойных
мембран (d до 2 мм), используя тефлоновую пластину, разделяющую две водные
фазы. На отверстие пластины наносили смесь фосфолипидов в растворе летучих
растворителей. Происходило самопроизвольное формирование бислоя
фосфолипидов толщиной 6 нм.

48. Метод моделирования мембран

Получение липосом - замкнутые
мембранные пузырьки, содержащие
водную фазу внутри и находящиеся в
водной среде. Липосомы формируют из
липидов в водной среде путем
обработки ультразвуком или быстрого
смешивания раствора фосфолипида в
этаноле с водой.

49. Перенос веществ через мембраны

1. Низкомолекулярные соединения:
А) простая диффузия
Б) облегченная диффузия
В) активный транспорт

50. Облегченная диффузия

Молекула глюкозы связывается
переносчиком на наружной поверхности
плазматической мембраны. Происходит
конформационное изменение, и центр
переносчика, занятый глюкозой,
оказывается открытым внутрь клетки.
Вследствие конформационных изменений
переносчик теряет сродство к глюкозе, и
молекула высвобождается в цитозоль
клетки. Отделение глюкозы от переносчика
вызывает конформационные изменения
белка, и он возвращается к исходной
"информации.

51. Типы (виды) облегчённой диффузии с участием переносчиков (транслоказ). S1, S2- разные молекулы.

Некоторые транслоказы
могут переносить два
разных вещества по
градиенту концентраций в
одном направлении пассивный симпорт, или в
противоположных
направлениях - пассивный
антипорт.

52.

Пассивный антипорт анионов НСО3- и Сl- через мембрану эритроцитов. А - когда эритроцит находится в
венозных капиллярах, анион НСО3-, образованный при диссоциации угольной кислоты, по градиенту
концентрации выходит в кровь. В обмен на каждый транспортируемый из клетки ион НСО3- транслоказа
переносит в эритроцит ион Cl-; Б - когда кровь достигает лёгких транслоказа производит обмен ионами в
противоположных направлениях. Такая "челночная" система работает очень быстро и обеспечивает
удаление СО2 из организма и в то же время сохранение оптимального значения рН в клетке.
Примером
транслоказы,
работающей по
механизму
пассивного
антипорта, может
служить анионный
переносчик
мембраны
эритроцитов.

53. Строение и функционирование Nа+,К+-АТФ-азы плазматической мембраны.

1 - три иона натрия связываются специфическим центром
транслоказы; 2 - изменение конформации транслоказы,
вызванное присоединением 3Na+, приводит к активации
каталитической субъединицы и увеличению сродства
активного центра к субстрату (АТФ). Протекает реакция
аутофосфорилирования по карбоксильной группе
аспарагиновой кислоты; 3 - аутофосфорилирование
изменяет заряд и конформацию транслоказы, она
закрывается с внутренней стороны мембраны и
открывается с наружной, уменьшается сродство к ионам
натрия и они диссоциируют от переносчика; 4 - Na+, К+АТФ-аза открытая с наружной стороны мембраны имеет
специфический центр связывания для 2К+; Присоединение
двух ионов калия к фосфорилированной транслоказе
вызывает изменение конформации и появление
аутофосфатазной активности. Протекает реакция
аутодефосфорилирования; 5 - дефосфорилирование
изменяет заряд и конформацию транслоказы, она
закрывается с наружной стороны мембраны и открывается
с внутренней, уменьшается сродство к ионам калия и они
диссоциируют от Na+, К+-АТФ-азы; 6 - АТФ-аза
возвращается в первоначальное состояние.

54. Вторичный активный транспорт

Перенос некоторых
растворимых веществ против
градиента концентрации
зависит от одновременного
или последовательного
переноса другого вещества по
градиенту концентрации в том
же направлении (активный
симпорт) или в
противоположном (активный
антипорт).

55. Перенос через мембрану макромолекул и частиц: эндоцитоз и экзоцитоз

• Перенос вещества из среды в клетку вместе с частью
плазматической мембраны называют "эндоцитоз". Путем
эндоцитоза (фагоцитоза) клетки могут поглощать большие
частицы, такие как вирусы, бактерии или обломки клеток. Захват
больших частиц осуществляется в основном
специализированными клетками - фагоцитами.
• Поглощение жидкости и растворённых в ней веществ с помощью
небольших пузырьков называют "пиноцитоз". Усвоение веществ
механизмом эндоцитоза (пиноцитоза) характерно для всех
клеток.

56.

Последовательность событий при образовании
окаймлённого пузырька из окаймлённой ямки

57. Положение рецепторов ЛПНП в цитоплазматической мембране

А - положение рецепторов
ЛПНП в окаймлённой ямке;
Б - положение дефектных
рецепторов ЛПНП вне
окаймлённой ямки.

58. G-белки

•Сигнальные G-белки являются
универсальными посредниками при
передаче гормональных сигналов от
рецепторов клеточной мембраны к
эффекторным белкам , вызывающим
конечный клеточный ответ.

59.

60. Патологии клеточных мембран

• нарушения мембранного транспорта,
• изменения проницаемости мембран,
• изменения коммуникации клеток и их "узнавания",
• изменения подвижности мембран и формы
клеток,
• нарушения биогенеза мембран.

61. вывод

• мембрана клетки - это активная изменчивая структура, которая
активно работает в интересах всей клетки и связывает её с
окружающим миром, а не просто является "защитной
оболочкой". Это - самое важное, что надо знать про клеточную
мембрану.
• В медицине мембранные белки зачастую используются как
“мишени” для лекарственных средств. В качестве таких мишеней
выступают рецепторы, ионные каналы, ферменты, транспортные
системы. В последнее время кроме мембраны мишенью для
лекарственных веществ становятся также гены, спрятанные в
клеточном ядре.