Функции и взаимодействия мембранных липидов и белков (ДСК и модели мембран)

1.

МЕТОД ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ
МИКРОКАЛОРИМЕТРИИ (ДСК)
Метод, основанный
на измерении
разницы тепловых
потоков, идущих от
испытуемого
образца и образца
сравнения.

2.

С помощью ДСК регистрируют и
исследуют
изменения фазового состояния
липидов,
нарушения этого состояния при
взаимодействии липидов с другими
веществами (белками, ионами или
малыми гидрофобными молекулами).

3.

Типичные экспериментальные изменения теплоты
(А) и теплоемкости (Б) при фазовом переходе
А
Б

4.

Параметры кривой теплоемкости при плавлении,
полученной методом дифференциальной сканирующей
микрокалориметрии.
С – теплоемкость;
Т – ширина фазового перехода; Тс – температура плавления.
Зашрихованная область соответствует количеству тепла q , поглощенного при
нагревании до температуры Т.

5.

Схематическое
изображение
гелеобразного (I),
переходного (II) и
жидкокристаллического
(III) состояния бислоя в
ходе изменения
температуры.

6.

С
Перед приготовлением липосом к фосфолипидам было
добавлено разное количество холестерина; его содержание в
молярных процентах указано у кривых.
По оси ординат отложена теплоемкость, по оси абсцисс температура, K.

7.

ИЗМЕНЕНИЕ УПАКОВКИ БИСЛОЯ ПРИ
ТЕРМОИНДУЦИРОВАННОМ ФАЗОВОМ ПЕРЕХОДЕ (от А к Б)
и ПРИ ВСТРАИВАНИИ В БИСЛОЙ МОЛЕКУЛ ХОЛЕСТЕРИНА
(от Б к В)
Указана толщина бислоя в ангстремах и площадь сечения,
занимаемая каждой молекулой фосфолипида.

8. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ МЕМБРАННЫХ ЛИПИДОВ

1. ЛИПИДЫ ОБРАЗУЮТ СТАБИЛЬНЫЙ БИСЛОЙ, В
КОТОРОМ ФУНКЦИОНИРУЮТ БЕЛКИ.

9.

Данные рентгеноструктурного анализа
показывают, что молекулы
фосфолипидов имеют форму цилиндра,
сплюснутого с боков и разделенного по
длине на две неравные части:
небольшую "голову", состоящую из
полярных групп, и гидрофобный "хвост".

10.

ЛИЗОФОСФОЛИПИДЫ
Лизоформы липидов имеют одну
углеводородную цепь и в высоких
концентрациях действуют как детергенты,
способствуя разрушению биомембран.
Образуются под действием фосфолипаз А 1 и А 2

11.

PLА1 – гидролиз эфирной связи в положении 1
(отщепляет SN-1 ацильную цепь).
PLА2 – гидролиз эфирной связи в положении 2
(отщепляет SN-2 ацильную цепь, образование
свободных жирных кислот)

12.

ФОСФОЛИПАЗА А2
ЛИЗОФОСФОЛИПИД

13.

ЛИЗОФОСФОЛИПИД

14.

2. ФОСФОИНОЗИТИДЫ – ПРЕДШЕСТВЕННИКИ
ВТОРИЧНЫХ ПОСРЕДНИКОВ

15.

3.УЧАСТИЕ НЕКОТОРЫХ ЛИПИДОВ В
РЕАКЦИЯХ БИОСИНТЕЗА

16.

4. ПОДДЕРЖАНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
НЕКОТОРЫХ ФЕРМЕНТОВ
Активирование отдельными фосфолипидами мембранных
ферментов

17.

5. ГАНГЛИОЗИДЫ СПЕЦИФИЧЕСКИЕ
РЕЦЕПТОРЫ,
ОТВЕТСТВЕННЫЕ
ЗА КЛЕТОЧНУЮ
АДГЕЗИЮ, ИГРАЮТ
ОПРЕДЕЛЕННУЮ
РОЛЬ В
РЕГУЛЯЦИИ РОСТА
КЛЕТОК

18.

6. НЕКОТОРЫЕ ЛИПИДЫ ВЫПОЛНЯЮТ
«ЯКОРНУЮ» ФУНКЦИЮ.
НАПРИМЕР, УЧАСТИЕ ФОСФАТИДИЛИНОЗИТОЛА
В ОБРАЗОВАНИИ
ФОСФАТИДИЛИНОЗИТОЛГЛИКАНА.
К НЕМУ МОГУТ КОВАЛЕНТНО ПРИСОЕДИНЯТЬСЯ
НЕКОТОРЫЕ БЕЛКИ-ФЕРМЕНТЫ, например,
АЦЕТИЛХОЛИНЭСТЕРАЗА .

19.

7. НЕКОТОРЫЕ ЛИПИДЫ – АЛЛОСТЕРИЧЕСКИЕ
АКТИВАТОРЫ ФЕРМЕНТОВ.
НАПРИМЕР, ФУНКЦИОНАЛЬНО АКТИВНАЯ ПРОТЕИНКИНАЗА
С – КОМПЛЕКС, СОДЕРЖАЩИЙ МОНОМЕР ФЕРМЕНТА,
МОЛЕКУЛУ ДИАЦИЛГЛИЦЕРОЛА, ИОНЫ КАЛЬЦИЯ И 4
МОЛЕКУЛЫ ФОСФАТИДИЛСЕРИНА

20.

БЕЛКИ МЕМБРАН

21.

1.СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКОВ В МЕМБРАНЕ
2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ
3. ПОДВИЖНОСТЬ БЕЛКОВ В МЕМБРАНЕ
4. БЕЛОК – ЛИПИДНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
5. ФУНКЦИИ МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ

22. СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКОВ В МЕМБРАНАХ

МЕМБРАНЫ СОДЕРЖАТ ОТ 20 ДО
80% БЕЛКА ПО ВЕСУ. В РАЗНЫХ
МЕМБРАНАХ СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКА
РАЗЛИЧНО.
В МЕМБРАНАХ МИТОХОНДРИЙ БЕЛКА ДО
75%
В МИЕЛИНОВОЙ ОБОЛОЧКЕ ОКОЛО
25%

23. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ

Топологическая классификация
основана на локализации белка по
отношению к липидному бислою
Биохимическая классификация
основана на прочности взаимодействия белка с
мембраной

24. ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Основана на том, сколько раз белок пересекает
липидный бислой.
Этот критерий описывает способ расположения
полипептидной цепи в мембране: количество
трансмембранных доменов и их ориентацию в
мембране, а также расположение боковых
экстрамембранных доменов

25.

26.

27.

БИОХИМИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
ГЛУБОКО ПРОНИКАЮТ В БИСЛОЙ
ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ
ИМЕЮТ МЕНЬШУЮ ГЛУБИНУ
ПРОНИКНОВЕНИЯ, БОЛЕЕ СЛАБО
СВЯЗАНЫ С БИСЛОЕМ, ЧАСТО
ГЛИКОЗИЛИРОВАНЫ
АМФИПАТИЧЕСКИЕ
МЕНЯЮТ СВОЙ СТАТУС, ПРИКРЕПЛЯЯСЬ К
МЕМБРАНЕ НА ОПРЕДЕЛЕННОЕ ВРЕМЯ
СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ
СТИМУЛИРУЮТ ИХ АССОЦИАЦИЮ С
МЕМБРАНОЙ, НАПРИМЕР,
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

28.

ДЕЛЕНИЕ БЕЛКОВ НА ИНТЕГРАЛЬНЫЕ И
ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ
СТРУКТУРОЙ
КОЛИЧЕСТВОМ И РАСПОЛОЖЕНИЕ ГИДРОФОБНЫХ
ОСТАТКОВ

29.

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ СОСТОЯТ ИЗ ДВУХ ЧАСТЕЙ:
•УЧАСТКИ, БОГАТЫЕ ПОЛЯРНЫМИ АМИНОКИСЛОТНЫМИ
ОСТАТКАМИ, ОБРАЩЕННЫЕ ВО ВНЕКЛЕТОЧНУЮ СРЕДУ
ЧАСТО ГЛИКОЗИЛИРОВАНЫ, ЧТО УВЕЛИЧИВАЕТ ИХ
РЕЗИСТЕНТНОСТЬ К ПРОТЕОЛИЗУ
•УЧАСТКИ, ОБОГАЩЕННЫЕ НЕПОЛЯРНЫМИ ОСТАТКАМИ
АМИНОКИСЛОТ

30. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ БЕЛКИ

1- ГЛИКОФОРИН,
2 – РЕЦЕПТОР АДРЕНАЛИНА

31.

Связывание интегральных белков с мембраной
за счёт
единичной
трансмембранной
альфа-спирали
множественных
трансмембранных
альфа-спиралей
бета-складчатой
структуры

32. ОСОБЕННОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ БЕЛКОВ

1. КОЛИЧЕСТВО ГИДРОФИЛЬНЫХ АМИНОКИСЛОТ ПРИМЕРНО ТАКОЕ ЖЕ, КАК И В
ОБЫЧНЫХ ВОДОРАСТВОРИМЫХ БЕЛКАХ, НО В ВОДЕ ОНИ РАСТВОРЯЮТСЯ ОЧЕНЬ
ПЛОХО.
ПРИЧИНА:ГИДРОФОБНЫЕ АМИНОКИСЛОТНЫЕ ОСТАТКИ СКОНЦЕНТРИРОВАНЫ В
ГИДРОФОБНЫЕ ДОМЕНЫ, А НЕ РАССЕЯНЫ ВДОЛЬ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ.
НЕКОТОРЫЕ БЕЛКИ УВЕЛИЧИВАЮТ ГИДРОФОБНОСТЬ, КОВАЛЕНТНО СОЕДИНЯЯСЬ С
ЛИПИДАМИ МЕМБРАН

33.

2. В СТРУКТУРЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ БЕЛКОВ ЧЕТКО ВЫДЕЛЯЮТСЯ
УЧАСТКИ, ОТВЕТСТВЕННЫЕ ЗА ИХ БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ.
ЭТИ УЧАСТКИ СОСТОЯТ ИЗ ПОЛЯРНЫХ АМИНОКИСЛОТНЫХ
ОСТАТКОВ.
ДОМЕНЫ ИЗ НЕПОЛЯРНЫХ ОСТАТКОВ ОБЕСПЕЧИВАЮТ
СТРУКТУРНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ МОЛЕКУЛЫ, ЗАКРЕПЛЯЯ ЕЕ В
ЛИПИДНОМ БИСЛОЕ

34.

ПОВЕРХНОСТНЫЕ БЕЛКИ

35.

«Якорные» мембранные белки связаны ковалентно с
одной или несколькими молекулами липида. Цепь
самого полипептида не входит в двойной слой
фосфолипидов.
СПОСОБЫ
«заякоривания» белка в бислое
пальмитирование
или
миристоилирование
ПРИМЕРЫ:
эндотелиальная
NO-синтаза; αсубъединица G-белка
пренилирование
присоединение 15 углеродной
фарнезильной или 20 углеродной
геранилгеранильной групп к
акцепторным белкам; фарнезил и
геранилгеранил - изопреноиды,
получаемые на пути синтеза
холестерина. ПРИМЕРЫ: Ras-белок,
гамма-субъединица G-белка

36.

Пальмитирование αсубъединицы,
пренилирование γсубъединицы и
миристоилирование
в нескольких
субъединицах
приводят к тому, что
G-белок оказывается
«заякорен» на
внутренней стороне
клеточной мембраны,
что создаёт условия
для его
взаимодействия с Gбелок- связанными
рецепторами

37.

Периферические белки приводят к изменению локальной кривизны
монослоя. Поскольку образование пустот в бислое энергетически
невыгодно, должна измениться и локальная кривизна второго
монослоя. Это может произойти либо за счет перераспределения
липидов, либо при связывании полярного белка, либо того и другого
вместе.

38. СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БЕЛКОВ С ЛИПИДНЫМ БИСЛОЕМ

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ – НА УРОВНЕ ГОЛОВОК ЛИПИДОВ
ГИДРОФОБНЫЕ И
ДИСПЕРСИОННЫЕ
– В ТОЛЩЕ
БИСЛОЯ

39. ПОДВИЖНОСТЬ БЕЛКОВ В БИСЛОЕ

I - ЛАТЕРАЛЬНАЯ ПОДВИЖНОСТЬ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ
II – ВРАЩАТЕЛЬНАЯ ПОДВИЖНОСТЬ БЕЛКОВЫХ МОЛЕКУЛ

40. Латеральная подвижность мембранных белков, демонстрируемая в эксперименте

41.

ЛАТЕРАЛЬНАЯ ДИФФУЗИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ БЕЛКОВ ОГРАНИЧЕНА ИХ
РАЗМЕРАМИ, ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ С ДРУГИМИ БЕЛКАМИ И
ЭЛЕМЕНТАМИ ЦИТОСКЕЛЕТА
Времена вращательной
релаксации для интегральных
белков лежат в диапазоне от 20
до 500 мкс
Коэффициент
латеральной диффузии
(вдоль бислоя) варьирует
от 7.10-9 до 10-12см2.с-1.

42.

АННУЛЯРНЫЕ ЛИПИДЫ И БЕЛКИ
Аннулярные липиды — липидные молекулы, которые
связываются с поверхностью мембранных белков в клетках;
образуют пограничный слой липидов, подвижность которых
ограничена из-за взаимодействий с белками.
Аннулярные липиды находятся рядом с интегральными белками,
пронизывающими мембрану, и чередуются с менее
организованными и более текучими участками липидного бислоя.

43.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ БЕЛКИ СИЛЬНО ОГРАНИЧИВАЮТ ПОДВИЖНОСТЬ
АННУЛЯРНЫХ ЛИПИДОВ. ПО СВОЕЙ ПОДВИЖНОСТИ ОНИ
ОТЛИЧАЮТСЯ ОТ ОБЩИХ ЛИПИДОВ: АННУЛЯРНЫЕ ЛИПИДЫ
ОКАЗЫВАЮТСЯ БОЛЕЕ УПОРЯДОЧЕННЫМИ

44.

Фазовый переход приводит к увеличению подвижности
ацильных цепей в бислое, увеличению угла их наклона и
уменьшению плотности упаковки.
Латеральная подвижность мембранных белков после
фазового перехода возрастает, увеличивается
вероятность образования их ассоциатов

45. МОДИФИКАЦИЯ БИСЛОЯ БЕЛКАМИ

способность белковых молекул изменять
структурную упаковку бислоя, его толщину и
градиент гибкости.
ВЫДЕЛЯЮТ 4 ОСНОВНЫХ ТИПА БЕЛОК-ЛИПИДНЫХ
КОНТАКТОВ

46.

ЛОКАЛЬНОЕ ВОЗРАСТАНИЕ
УПОРЯДОЧЕННОСТИ АННУЛЯРНЫХ ЛИПИДОВ
ПРИМЕРЫ: бактериородопсин

47.

ЭЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ОДНОЙ СТОРОНЫ
БИСЛОЯ
Такое влияние на физико–
химические параметры
характеризуется определенным
дальнодействием.
Именно им определяется
облегчение взаимодействия
мембранных рецепторов с
инсулином

48.

РЕЗКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ГРАДИЕНТА КРИВИЗНЫ И ДЕФОРМАЦИЯ
БИСЛОЯ
Выраженная гидрофобность белка может привести к
резкому изменению градиента кривизны и
деформировать бислой, как это имеет место в случае
взаимодействия с мембраной цитохрома b5.

49.

ИЗМЕНЕНИЕ ГЕОМЕТРИИ БИСЛОЯ ВСЛЕДСТВИЕ
НЕСОВПАДЕНИЯ ДЛИНЫ ГИДРОФОБНЫХ УЧАСТКОВ
ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ И ВСТРАИВАЕМОГО БЕЛКА
Сочетание гидрофильных и
гидрофобных свойств белковой
молекулы может обеспечить не
только проникновение белка через
бислой, но и существенное
давление на него, что приводит к
изменению геометрии бислоя –
сжиманию одних частей и
уширению других (гликофорин)

50. НЕКОТОРЫЕ ФУНКЦИИ БЕЛКОВ В МЕМБРАНЕ