05_мембраны_потенциалы

1.

Карагандинский медицинский университет
Биофизика мембран.
Кафедра информатики и биостатистики
Ассистент профессор Коршуков И.В.

2.

Как понять что внутри, а что снаружи?
снаружи
Что это?
А как нам быть
теперь?
внутри

3.

Как устроена граница?
Гликокаликс - обогащенная углеводами периферическая зона внешнего
поверхностного покрытия мембраны большинства эукариотических клеток.
Гликокаликс состоит из:
• Гликопротеинов (белки с присоединенными углеводными цепями)
• Гликолипидов (липиды с присоединенными углеводными цепями)
• Протеогликаны (комплексы белков с гликозаминогликанами - полисахариды)
А из чего состоит мембрана?
Мембрана состоит из
• Липидов
• Белков
• Углеводов (в составе гликопротеинов и гликолипидов)
А какой из трех компонентов главный?

4.

Компартментализация
Снаружи ядра (но
внутри клетки)
Внутри ядра
Компартментализаця - разделение клетки на отсеки
локализуются определенные биохимические процессы.
Граница – мембрана органеллы.
Какие известны мембранные органеллы?
(органеллы),
где

5.

Функции мембраны клетки/органелл?
• Барьерная/транспортная – перенос определённых веществ внутрь\наружу
(селективная проницаемость)
• Рецепция – перенос информации внутрь\наружу
• Якорь для цитоскелета – возможность закрепления филаментов и трубочек
• Межклеточные контакты – соединение клеток в ткань (и транспорт между
ними)
• Ферментативная – возможность закрепления ферментов (биокатализаторов)
и выполнения ими функции (ускорение биохимических реакций метаболизма)
Что из этого требует белков?

6.

Строение липидных молекул
Существует множество видов липидов. Наиболее часто встречающаяся группа –
глицерофосфолипиды (до 40-50%).
Состоят из:
• Глицерина – трехосновный спирт (слабое основание), имеющего 3
ОН группы, значит может присоединить 3 другие молекулы.
• Жирных кислот – слабые органические кислоты, имеют одну
(обычно) СООН группу.
Олеиновая
кислота
(18
атомов
Пальмитиновая кислота (16 атомов
углерода). Между 8 и 9 атомами
углерода). Все связи одиночные:
углерода –двойная связь: ненасыщенная
насыщенная ЖиК
ЖиК

7.

Жирные кислоты разнообразны
Жирные кислоты отличаются количеством атомов углерода и количеством двойных
связей. Это определяет в том числе физические свойства – температуру плавления
(чем больше атомов углерода тем выше температура плавления) и конформационную
подвижность (чем больше двойных связей тем ниже конформационная подвижность).
Конформация это определенное положение частей молекулы в пространстве.
Конформационная подвижность – насколько мало нужно энергии для вращения
частей молекулы в пространстве (обычно вокруг одиночных связей).
Посмотрите конформеры этих молекул в режиме «Ball and stick», а затем оцените объем в режиме «Space-filling»
Пальмитиновая кислота (16 атомов
углерода). Все связи одиночные.
Температура плавления 61,8 С˚
Олеиновая
кислота
(18
атомов
углерода). Одна двойная связь.
Температура плавления 13,4 С˚
Стеариновая кислота (18 атомов
углерода). Все связи одиночные.
Температура плавления 68,8 С˚

8.

Строение липидных молекул
Одна молекула глицерина может присоединить 3 другие молекулы.
Если это будут 3 ЖиК то формируются триацилглицериды –
запасаемая форма липидов (в данной теме она не нужна).
Например три остатка стеариновой кислоты
А если присоединить две ЖиК и еще что-нибудь?
«Что-нибудь» это остаток фосфорной кислоты, но он может формировать также три
связи.
Теория электролитической диссоциации С.Аррениуса.
Как осуществляется ступенчатая диссоциация ортофосфорной кислоты?
Одна связь фосфорной кислоты уходит на соединение с
глицерином. А два оставшихся протона могут диссоциировать в
водном растворе. Когда положительно заряженные протоны
покидают молекулу, то оставшаяся часть заряжена отрицательно
(-2). Так появляется полярность «головы» липида.

9.

Строение липидных молекул
Липиды могут быть сформированы не только глицерином, есть и
другие соединения, например сфингозин.
В составе мембраны могут
вещества, например холестерин
быть
липидоподобные

10.

Строение липидных молекул
Упрощенное изображение молекулы глицерофосфолипида
P2-
«голова» - фосфорная кислота
(здесь полностью диссоциировала)
«тело» - глицерин
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
«хвосты» - ЖиК
упрощаем

11.

Амфифильность липидных молекул
Основным растворителем в живых системах является вода.
Молекула воды в целом нейтральна, но частичные заряды
распределены неравномерно. Это происходит из-за больших
отличий в электроотрицательности кислорода и водорода.
Красным показано преобладание отрицательного заряда.
Зеленые
области
нейтральны.
Синим
преобладание
положительного заряда.
Xia Y, Fang D, Qu P, Li Y.
Interfacial Adhesion between
Fatty Acid Collectors and
Hydrophilic Surfaces:
Implications for Low-Rank
Coal Flotation. Molecules.
2022 Jul 8;27(14):4392. doi:
10.3390/molecules27144392.
PMID: 35889264; PMCID:
PMC9316144.
ЖиК в свободном виде имеет полярную СООН группу, но большая
часть молекулы нейтральная так как углеродная цепь и
соответствующие атомы водорода не сильно отличаются по
электроотрицательности и почти не способны к диссоциации (см.
пункт С на рис.5).
Однако в этерифицированном состоянии (т.е. соединившись с
глицерином) молекула ЖиК снижает полярность, и не может
диссоциировать (получать целый заряд).

12.

Амфифильность липидных молекул
Молекулы воды благодаря своей полярности формируют водородные
связи, и выстраиваются в трехмерную сетевую структуру.
• Гидрофильные вещества при взаимодействии с молекулами
воды понижают общую энергию системы (энергетически
выгодно), обычно потому что также являются полярными
молекулами.
• Гидрофобные вещества при взаимодействии с молекулами воды повышают общую
энергию системы (энергетически затратно, но избытка свободной энергии обычно
нет), являясь неполярными молекулами.
А к какой категории относятся липиды?
Липидная молекула сочетает оба этих свойства: полярная «голова» и неполярные
«хвосты» (имеющие очень большой размер). Такое сочетание называется
амфифильностью.

13.

Строение липидных молекул
Упрощенное изображение молекулы глицерофосфолипида
«голова» полярная часть и следовательно гидрофильная
P2C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
«тело» и «хвосты»
неполярные,
следовательно
гидрофобные
упрощаем

14.

Поведение липидных молекул на границе раздела фаз
Какое из положений липидных молекул энергетически выгодно?
Граница раздела фаз вода\воздух: формирование мономолекулярного слоя
Опыт Гортера-Гренделя
Воздух – неполярная среда
1
2
3
4
Вода – полярная среда
a few
moments
later…

15.

Поведение липидных молекул в водной фазе
Какое из положений липидных молекул энергетически выгодно?
Вода (только полярная среда): формирование мицеллы (один вариант решения
проблемы)
1
2
4
3
Вода – полярная среда
a few
moments
later…

16.

Поведение липидных молекул в водной фазе
Какое из положений липидных молекул энергетически выгодно?
Вода (только полярная среда): формирование многослойной липосомы (второй
вариант решения проблемы), частный случай –двухслойная, т.е липидный бислой.
1
2
4
3
Вода – полярная среда
a few
moments
later…
Сферическая форма диктуется силами поверхностного
натяжения которые уменьшают поверхность контакта. Самая
короткая граница – окружность на плоскости, а трехмерном
пространстве - сфера

17.

Липидный бислой формирование
Селективная
Lipid bilayers self-assemble

18.

Липидный бислой
Имеет три области: в центре
неполярная («хвосты» от двух
неполярная
слоев) и по краям две полярные
полярная («головы» от двух слоев).
Обладает свойствами жидкости (молекулы не жестко закреплены на
своих местах) и кристалла (молекулы расположены упорядоченно) –
жидкий кристалл.
При изменении температуры или липидного состава возможны переходы из
кристаллической в гелевую фазу и наоборот (связано с конформационными
переходами ЖиК). Фазовый переход меняет толщину бислоя, плотность
расположения молекул и как следствие текучесть и проницаемость.
Способность липидов самопроизвольно формировать стабильный
бислой в водной среде является уникальной. Белки и углеводы не
обладают такой способностью.
Расположение
и
взаимодействия
компонентов
мембраны
описываются жидкостно-мозаичной моделью Сингера и Николсона.
полярная

19.

Липидный бислой - чудо природы
Липидный бислой уникален, так как
• Липидные молекулы способны к самосборке в виде липидного бислоя
• Стабилен в водной среде
• Небольшие дефекты могут быть исправлены путем перемещения соседних
липидных молекул (они обладают подвижностью)
• Имеет форму сферы благодаря силам поверхностного натяжения
• Селективно проницаем
Выполняет функции:
• Механическая (поддержание формы и объема)
• Транспортная путем простой диффузии
• Матричная – установка белков имеющих различные функции
Bilayer formation through molecular self-assembly

20.

Виды транспорта
Транспорт через клеточный
слой (ткань)
Трансцеллюлярный
Парацеллюлярный
(Через клетку)
(«мимо» клетки)
Везикулярный
(эндо- и экзоцитоз)
Трансмембранный

21.

Виды трансмембранного транспорта
Пассивный трансмембранный
транспорт
Простая диффузия
Облегченнная
диффузия
Через липидный
бислой
С подвижным
переносчиком
Через липидные
поры в бислое
С неподвижным
переносчиком
Осмос
Фильтрация
Через белковые
поры
(По Антонов, В. Ф. Физика и биофизика 2015, §16.2. Пассивный перенос веществ через мембрану )

22.

Липидный бислой – транспортный путь
Селективная проницаемость это комбинация всех вариантов переноса вещества
Откуда берется энергия?
Понятие градиента, примеры градиентов. Градиент концентрации и
электрохимический потенциал.
Градиент концентрации не появляется из ниоткуда (кроме кислорода и
углекислого газа)

23.

Почему молекулы двигаются?
Температура – мера кинетической энергии частиц (т.е. интенсивность их движения).
Тепловое движение частиц носит хаотический характер, т.е. не имеет конкретного
направления. Оно не может создать различные концентрации вещества в различных
точках системы, а способно лишь выравнивать эти различия. Простая диффузия
основана на тепловом движении частиц (молекул растворенного вещества между
молекулами растворителя).
Если в какой-то точке пространства концентрация будет выше,
то простая диффузия будет переносить вещество во все точки
с меньшей концентрацией. Удобнее рассматривать не все три
измерения пространства, а одно. Разность концентрации в
двух точках системы, отнесённая к расстоянию между ними
(по выбранному направлению) называется градиентом
концентрации.
В этом случае простая диффузия это явление переноса
вещества из области с большей концентрацией в область с
меньшей концентрацией.

24.

Почему молекулы двигаются?
Рассматриваем лишь одно направление, вдоль которого и возьмем две точки
пространства с отличающейся концентрацией, по ним проведем линию и обозначим
дистанцию между точками:ΔX =X1-X2
и различия в концентрации между этими точками: ΔC =C1-C2
Разность концентрации в двух точках системы, отнесённая к расстоянию между
ними (по выбранному направлению) называется градиентом концентрации.
X1
a few
moments
later…
C1
ΔX =X1-X2
ΔC =C1-C2
→
gradC = ΔC/ΔX
X2
X
C2

25.

Липидный бислой – барьер или транспортный путь?
Профиль потенциальной энергии бислойной мембраны
Какие вещества будут легче проходить?
Размер и заряд основные признаки определяющие проницаемость
Селективная проницаемость
полярная
неполярная
полярная
Знак «–» показывает, что суммарная плотность
потока вещества при диффузии направлена в
сторону уменьшения концентрации (в сторону,
противоположную градиенту концентрации),
D — коэффициент диффузии, применительно к
рассмотренному примеру диффузии в жидкости он равен
соотношению дистанции одного «шага» к

26.

Липидный бислой – барьер или транспортный путь?
Профиль потенциальной энергии бислойной мембраны
Какие вещества будут легче проходить?
Размер и заряд основные признаки определяющие проницаемость
Селективная проницаемость
J = P(сi – c0)
Знак «–» показывает, что суммарная
плотность потока вещества при
диффузии направлена в сторону
уменьшения концентрации (в сторону,
противоположную
градиенту
концентрации), D — коэффициент
диффузии,
применительно
к
рассмотренному примеру диффузии в
жидкости он равен
k — коэффициент распределения
вещества (частиц) между
мембраной и окружающей средой
(обычно вводная фаза)
Р — коэффициент
проницаемости
Р = Dk / l

27.

Вода. Виды трансмембранного транспорта
Пассивный
Простая диффузия (через бислой/липидные
поры)
Облегченная диффузия
через белковую пору\канал
с фиксированным переносчиком
с подвижным переносчиком
Осмос
Фильтрация
Активный транспорт
Simulation of Aquaporin
in DLPC Lipid Bilayer
Water permeation through
phospholipid membrane
Water-defect-mediated
permeation of an ion through a
cell membrane

28.

Трансмембранный электрохимический потенциал
Кроме разности концентраций может быть еще разность зарядов
Взаимосвязь концентрации т.е. количества вещества и суммарного заряда для
электролитов
ЭХП – общий запас энергии на мембране и путь для ее распределения
ЭХП возможен лишь при селективной проницаемости мембраны

29.

Трансмембранная разность потенциалов – лишь одна сторона
ЭХП
Простая диффузия зараженных ионов:
Потенциал Нернста:
Ограничения?

30.

Трансмембранная разность потенциалов
Все клетки пока живы создают ПП
Три вида (нервная, мышечная, железистая) создают ПД
Каковы задачи решаемые этими клетками при создании ПД?

31.

ПП у нейронов
Проблемы Нернста