Биомембраны: строение, функции и транспорт веществ

1.

Биомембрана

2.

План:
1.
2.
3.
4.
5.
Понятие о мембранах.
Строение плазмолеммы.
Мембранные белки.
Биологические мембраны.
Свойства эндокринных и нервных сигналов.

3.

Понятие о мембранах
Мембраны являются тончайшими (5...10 нм) в виде пленки. Их структурной
основой является бимолекулярный слой жировой ткани – фосфолипиды, с
неполярными гидрофобными "хвостами", погруженными в толщу мембраны, и
полярными гидрофильными группами, направленными в водную среду.
Белковые молекулы мембраны мозаично расположены по обе стороны
липидного бислоя, некоторые из которых проникают сквозь мембрану. Они
образуют гидрофильные отверстия, через которые проходят полярные молекулы.
Мембраны содержат тысячи различных белков, которые выполняют различные
функции. Большинство мембранных белков являются ферментами.
Одной из главных характеристик клеточных мембран является их
избирательная проницаемость (полупроницаемость): одни вещества проходят
через них с трудом или не проходят вообще, другие проникают легко.
Избирательная проницаемость мембран играет важную роль в регулировании
всасывания и высвобождения веществ. Мембранная структура органелл
обеспечивает значительное увеличение внутренней активной поверхности клетки.

4.

Органеллы или органоиды – это постоянные компоненты клетки. Они
расположены во внутренней части клетки - цитоплазме, в которой наряду с
органеллами могут находиться различные отростки.
Органеллы
делятся
на
мембранные
(одномембранные
или
двухмембранные) и немембранные. Одна мембрана включает в себя
эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, другие
органеллы, а также плазматическую мембрану.
ЭПР с гранулой
Ядро
Ядерная оболочка
Отверстия ядро
Рибосомы
Гладкий ЭПР
Везикулы
Аппарат Гольджи
Лизосома
Клеточная мембрана

5.

Плазмалемма – это внешняя цитоплазматическая мембрана, которая отделяет
цитоплазму от клеточной стенки. Он играет важную роль в метаболизме между
цитоплазмой и внешней средой, в построении клеточной стенки. Изнутри она
соединена редуцированными микрофиламентами нижнего слоя гиалоплазмы, что
обеспечивает изменение ее формы. Участвует в межклеточных связях,
способствует росту и усвоению активных клеток.
Структура плазмолеммы
Молекулярная структура плазмолеммы:
Модель жидкой мозаики – представляет собой двухслойный липид,
содержащий белковые молекулы.
Боковая цепь олигосахаридов
Фосфолипид
Гидрофобные хвосты
Гидрофильные головки
Трансмембранный белок
Толщина плазмалеммы колеблется от 7,5 до 10 нм.

6.

Химический состав плазмолеммы:
Липиды:
• фосфолипиды,
• сфинголипиды,
• холестерин.
Белки, олигосахариды:
они ковалентно связаны с
(гликопротеинлы ва гликолипиды)
некоторыми
липидами
и
Вне клетки
Мембранный белок
Гликопротеин
Фосфолипиды
Холетерин
белками

7.

Мембранный белок
Мембранные белки составляют более 50% массы мембраны. Они содержится в
липидном бислое благодаря гидрофобным взаимодействиям с молекулами липидов.
Белки обеспечивают
специфические свойства: играют роль мембран и других биологических объектов:
• структурные молекулы,
• ферменты,
• носители,
• рецепторы.
Внеклеточная среда
Гликолипид
Трансмембранный белок
Гликопротеин
Углевод
Холестерин
Нити цитоскелета
Цитоплазма
Вторичный
белок

8.

Биологические мембраны
Фосфатидилглицерин – наиболее распространенный представитель
фосфалипидов, он присутствует в мембранах всех живых организмов и является
производным фосфатидной кислоты.
По существу, эта углеродная цепь состоит длиной из 12-24 атомарных кислот,
которые либо полностью насыщены, либо имеют одну или несколько несмежных
двойных связей.
Структура фосфолипидов обладает важным функциональным свойством:
состоит из длинной гидрофобной цепи и гидрофильной "головки" фосфатидной
кислоты.
Общая химическая структура фосфатидилглицерина, где R1 и R2 являются
боковыми цепями жирных кислот.
Фосфатидилглицерин является поверхностно-активным веществом легких и
содержит глицерофосфолипид, находящийся в плазматической мембране, где он
непосредственно активирует липидзависимые ионные каналы.

9.

Сфингомиелины – это разновидность сфинголипидов, содержащихся в клеточных
мембранах животных. Особенно, миелиновые оболочки аксонов нервных клеток
богаты фосфолипидами.
Мембраналарда бу компонентлар билан бир қаторда оқсиллар ва тегишли
углеводлар мавжуд.
Состав
Сфингомиелин – единственный фосфолипид человека, который не содержит
остатков глицерина. Сфингомиелин состоит из полярной группы, соединенной
сложным эфирным комплексом сфингозина.
Полярная
группа
может
быть
представлена
фосфохолином
или
фосфоэтаноламином. Благодаря амидной связи жирная кислота присоединяется ко
второму углероду сфингозина.
Сфингомиелин
Сфингозин

10.

Трансмембранный перенос веществ
Мембранные белки отвечают за выполнение следующих специфических функций
плазматической мембраны.
А. Пассивный транспорт – это процесс, не требующий затрат энергии,
поскольку перенос небольших водорастворимых молекул (кислорода, углекислого
газа, воды) и части ионов осуществляется путем диффузии.
Этот процесс не очень понятен и зависит от градиента концентрации
транспортируемой молекулы.
Двухслойный липид
Транспортная молекула
Белок,
образующий каналы
Белокноситель
Электрохимический
градиент
Простая
диффузия
Облегченная
диффузия
ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ

11.

B. легкая диффузия по градиенту концентрации небольших заряженных молекул
или ионов осуществляется либо через мембранные каналы, либо с помощью белковносителей. Например, глюкоза транспортируется через плазматическую мембрану с
помощью белков-переносчиков (интегральных гликопротеинов).
Легкий транспорт
это также зависит от градиента концентрации и обеспечивает перенос более
крупных гидрофильных молекул, таких как молекулы глюкозы и аминокислоты. Этот
процесс требует наличия белков-переносчиков, специфичных для пассивных, но
переносимых молекул.
Рецепторный
белок
Гликопротеин
Протеин
Карбогидрат
Молекула
фосфолипида
Головка
Клеточный скелет
Межмембранное
вещество
Холестерин
Цитоплазма
Транспортный белок
Клеточная мембрана

12.

C. Активный транспорт – это перенос энергозависимых (т.е. осуществляемых в
присутствии АТФ) трансмембранных ионов против градиента электрохимической концентрации.
Например, Na+, К+ - насос или Na+, К+ - ATФ аза транспортирует Na+ из клетки и одновременно
загружает К+ в клетку.
• перенос молекул – это процесс, который осуществляется с помощью белков-переносчиков
против электрохимического градиента.
• для осуществления этого процесса требуются затраты энергии, которая высвобождается за
счет расщепления АТФ.
• натрий-калиевый насос является примером активного транспорта: с помощью белка –
переносчика Na+, К+ - ATФ аза ионы Na+ удаляются из цитоплазмы, а ионы Кa+ одновременно
переносятся в нее.
Внеклеточный
Низкий
Градиент концентрации натрия
Активный
транспортный
канал
АДФ + Р
АТФ
Градиент концентрации калия
Натриево-калиевый насос
Высокий
Цитозол
Низкий
Высокий

13.

Плазматическая мембрана
Плазматическая мембрана (клеточная мембрана, цитоплазматическая
мембрана, плазмолемма) – биологическая мембрана, обеспечивающая барьер и
избирательную связь между клеткой и внешней средой (внеклеточным
пространством).
Он присутствует в качестве обязательного внешнего компонента в клетках всех
живых организмов и выполняет аналогичные функции.
Он может отличаться по химическому составу, структуре и функциям от
биологических мембран других клеточных органелл.
Полисахарид
Внешняя поверхность
Полярные головки
фосфолипидов
Периферические белки
Холестерин
Интегральные белки
Хвост неполярных жирных кислот
Внутренняя поверхность

14.

Структура
A. Структура плазматической мембраны. Плазматическая мембрана
состоит из гидрофильных внешних головок фосфолипидов, обращенных наружу,
и их гидрофобных хвостов, которые составляют внутреннюю часть
плазматической мембраны.
В такой структуре взаимодействие белков с гидрофильными головками
фосфолипидов является полярным, а взаимодействие белков с гидрофобными
хвостами фосфолипидов осуществляется аминокислотами.
Фосфолипид
Внеклеточное
пространство
Гликолипид
Олигосахарид
Двухслойный
липид
Гликолипид
6 нм
Белок
периферической
мембраны
Интегральный
мембранный белок
Цитоплазма

15.

Б. Мембранные липиды
Мембраны содержат три класса липидов: фосфолипиды, холестерин и
гликолипиды. Наиболее важная группа фосфолипидов включает фосфатидилхолин
(лецитин), фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит и
сфингомиелин.
Холестерин присутствует во внутриклеточных мембранах клеток животных (за
исключением внутренней мембраны митохондрий).
Гликолипиды входят в состав многих мембран (например, во внешний слой
плазматических мембран). В состав гликолипидов входят функциональные группы
углеводов, направленные в водную фазу.
Мембранные липиды представляют собой амфифильные молекулы с полярной
гидрофильной головкой (синий) и неполярным липофильным хвостом (желтый). Они
накапливаются в водной среде из-за гидрофобных взаимодействий и сил
Вандерваальса.
Гидрофильная сторона
Гидрофобная область
Гидрофильная сторона
Мембранные липиды
Холестерин Фосфолипид

16.

B. Мембранный белок
Белки могут связываться с мембраной по-разному.
Интегральные мембранные белки имеют трансмембранные спирализованные
области (домены), которые пересекают липидный бислой один или несколько раз.
Такие белки тесно связаны с липидной средой.
Периферические мембранные белки удерживаются в мембране липидным "якорем"
и связываются с другими компонентами мембраны; например, они часто связываются с
интегральными мембранными белками.
В интегральных мембранных белках участок пептидной цепи, пересекающий
липидный бислой, обычно состоит из 21-25 гидрофобных аминокислот, образующих
правильную диоксидную спираль с 6 или 7 витками (трансмембранная спираль).
Олигосахарид
Дисульфидный мостик
Белок периферической мембраны
Трансмембранная часть
-спирали,
скрученная
вправо
Свободный
SH-группа
Место связывания
сигнального
вещества
Белкообразующий канал
Интегральный
мембранный
белок
Липидный якорь
Цитоплазма

17.

Г. Прикрепление белков к мембранам
Белки, синтезируемые в грубом эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР) и несущие
сигнал "стоп-транспорт", остаются в мембране и фиксируются там благодаря
гидрофобным взаимодействиям как интегральные мембранные белки.
Фиксация белков на мембране также может осуществляться путем прикрепления
липофильного якоря. Такие белки периферической мембраны присоединяют липиды во
время транспортировки или сразу после нее.
Соответствующий сигнал обычно присутствует в белке в виде определенной
пептидной последовательности.
Активированный
липид
Белок
Белок
периферической
мембраны
С : N-ацетил
глюкозамин
I : инозит
М : манноза
G : галактоза
Е : этаноламин
Липидный якорь:
Фарнезол
Миристи- Палмитиновая
новая
кислота
кислота
Палмитиновая кислота,
миристиновая кислота,
фарнезол, геранилгераниол
Гликозилированный фосфатидилинозит (GPI)
GPI-якорь

18.

Основные функции
Барьерная функция
Плазматическая мембрана является барьерным и промежуточным
связующим компонентом между внеклеточным матриксом, внешней
клеточной
стенкой
и
внутренним
цитоскелетом,
обеспечивая
взаимодействие всех супрамолекулярных структур.
Внешняя поверхность ячейки
Облегченная
диффузия
Активный транспорт
Гидрофильные (полярные)
фосфолипидные головки
Внутренняя поверхность ячейки
Клеточная мембрана
Гидрофобные
(неполярные) хвосты
фосфолипидных остатков
жирных кислот
Транспортируемые
молекулы
Простая диффузия
Белки, несущие
мембрану
АТФ
АДФ
+ Pi

19.

Функции и состав биомембран
Наиболее важными мембранами в клетках животных являются плазматические
мембраны,
внутренние
и
наружные
ядерные
мембраны,
мембраны
эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, внутренние и наружные
мембраны митохондрий.
Лизосомы, пероксисомы и различные везикулы также отделены от цитоплазмы
мембранами. Растительные клетки дополнительно имеют хлоропласты, лейкопласты и
вакуолярные мембраны.
Все мембраны полярны, то есть существует разница в составе внутреннего и
наружного слоев по отношению к цитоплазме.
Отделение
клетки от
внешней среды
Управляемый
транспорт
Функции мембраны
Прием и
передача
сигналов
Ферментативная
реакция
Межклеточные связи
Образование
якоря
цитоскелета

20.

Транспортные системы
Митохондрии имеют внутреннюю и внешнюю мембраны. Внутренняя
мембрана не переносит большинство низкомолекулярных соединений.
Он содержит не только промежуточные продукты метаболизма
(например, пируват и ацетил-КоА), но и неорганические ионы (Н+ и Na+).
Следовательно, цитоплазма и митохондрии содержат независимые пулы
ионов и метаболитов.
Обмен между цитоплазмой и матриксом локализован во внутренней
мембране митохондрий и обеспечивается специальными транспортными
системами, способными переносить различные вещества (пируват,
фосфат, ATФ, ADФ, глутамат, аспартат, малат, 2-оксоглутарат, цитрат,
жирные кислоты), с помощью таких механизмов, как антипорт
(обменная диффузия, А), симпорт (непрерывный перенос, S) или
унипорт (облегченная диффузия, U).
Существует также переносчик ионов Cа2+, который регулирует
концентрацию Cа2+ в цитоплазме.

21.

Транспортные системы
Большая часть АТФ вырабатывается митохондриями в матриксе,
транспортируется в цитоплазму через АДФ/АТФ-транслоказу в обмен на АДФ
(обменная диффузия). Фосфат поступает в митохондрии вместе с протонами
независимо от транспорта АДФ/АТФ.
Движущие силы:
Механизмы:
Пируват
Мембранный
потенциал
Антипорт (А)
Н+
Cа2+
Симпорт (S)
Протонный градиент
А
3+
Унипорт (U)
U
S
Р Р
Н+
или Na+
Хранение кальция
А
А
Р
4+
Р Р Р
Cа2+
А
Цитрат
Малат
А
Н+
S
Матрица
Малат
Р
А
Внутренняя мембрана

22.

Мембранные рецепторы
Мембранные рецепторы – это мембранные гликозилированные белки
трехдоменной структуры с принципом мультирецепторного действия, которые
инициируют метаболические и транскрипционные эффекты в клетках.
После того, как лиганд связывается, сначала активируются рецепторы,
сигнал передается в клетку, затем происходит активация гормонозависимых
рецепторов. Эту группу рецепторов можно разделить на:
• Рецепторы, не обладающие собственной ферментативной активностью:
- Зависимый от G-белка;
- Зависит от тирозинкиназ класса Janus (с киназой ЈAK);
- Рецепторы в сочетании с адаптивными белками;
- Рецепторы домены смерти;
- Рецепторы адипанектина;
• Рецепторы, обладающие ферментативной активностью:
- тирозинкиназы;
- серинтреонинкиназы;
- гуанилациклаза.

23.

Рецепторы, связанные с G-белками
Рецепторы, связанные с G-белком, являются одним из наиболее изученных
классов мембранных рецепторов. Белки этой группы состоят из внеклеточного
домена, семидоменной трансмембранной части и внутриклеточного домена.
При связывании с лигандом рецептор претерпевает конформационные
изменения, которые передаются G-белку. Это, в свою очередь, влияет на
изменение концентрации эффекторных молекул, вторичных мессенджеров в
цитоплазме.
G-белки представляют собой гетеротримерные комплексы, состоящие из:
-субъединицы - специфичны для каждого типа.
-субъединицы –
-субъединицы –
}
общие для различных G-белков.

24.

Только -субъединица G-белка обладает ферментативной активностью (ГTФ aзa). В
неактивной форме он связан с ГДФ, но при взаимодействии с гормональнорецепторным комплексом ГДФ заменяется на ГTФ, снижая сродство G-белка к
рецептору.
Таким образом, белок отщепляется от рецептора и расщепляется на - и субъединицы. Кроме того, перед гидролизом ГTФ -субъединица успевает выполнить
определенную функцию, а после этого она рекомбинирует с -субъединицами с
образованием исходного G-белка.
Рецепторы,
связанные с
G-белком
Рецепторы,
связанные с
G-белком
Рецепторы,
связанные с
G-белком
Рецепторы,
связанные с
G-белком
Взаимодействие с
мишенями
(аденилациклаза,
ионные каналы)
Цикл активности белка

25.

Система аденилациклазы
Работа системы аденилациклазы связана с ферментом аденилациклазой и его
продуктом – цАМФ. цАМФ, в свою очередь, активирует цАМФ-зависимую
протеинкиназу А, фосфорилирующую эффекторные белки (ионные каналы,
переносчики, белки цитоскелета и т.д.). Эта система активируется рецепторами,
расположенными рядом с Gs-белками, и ингибирует рецепторы, расположенные рядом
с Gi-белками.
Рецепторы,
связанные с
G-белком
Рецепторы,
связанные с
G-белком
s-субединица
s-субединица
Фосфоламбин
Ионные каналы
КЛЦМ*
*Киназа легких цепей миозина.
**Саркоплазматический ретикулум.
Активный Cа2+ АТФ aзы СПР**

26.

Рецепторы серинтреонинкиназы
Рецепторные серинтреонинкиназы состоят из трансмембранных белков с
ферментативной активностью, которые связывают димерные лиганды (TГФβ,
активины, ингибины, AMГ, белки костного морфогенеза, миостатин) и двух типов
рецепторов: парных рецепторов с конститутивной активностью (рецепторы II
типа) и парных рецепторов с индуктивной активностью, активируемой
фосфорилированием (рецепторы I типа).
После связывания димерного гормона с парой рецепторов II типа они
фосфорилируют пару рецепторов I типа.
Рецепторные серинтреонинкиназы передают сигнал по путям Smed и ТАК.
Smad-пути
После взаимодействия с димером сигнальной молекулы рецепторы II типа
активируют рецепторы I типа, позволяя им соединяться и активироваться путем
фосфорилирования R-Smad (регуляторного Smad).
Фосфорилированный R-Smad, сливаясь с Smad4, проникает в ядро, где вместе с
кофакторами воздействует на гены-мишени (включая гены-активаторы МАPкиназного пути).
Чтобы предотвратить гиперактивность Smad-пути, в клетке всегда
присутствует белок-ингибитор i-Smad, блокирующий фосфорилирование R-Smad и
его последующую ассоциацию с Smad4.

27.

ТАК-пути
Активированный рецептор фосфорилирует ТАК 1-киназу (также активируемую
рецепторами с доменами смерти), которая активирует JNK-киназу (вход в каскад
МАР) и белок р38, который отвечает за выживание/гибель клеток.
Димерные лиганды
ТАК-пути
Smad-пути
Рецепторы
I типа
Рецепторы
I типа
Рецепторы II типа

28.

Основные способы передачи
межклеточных сигналов
Сигналы передаются с
плазматической мембраной.
помощью
молекул,
Сигнал связи через щелевые контакты.
Длительная передача сигналов скрытыми молекулами.
связанных
с

29.

Свойства эндокринных и нервных
сигналов
Эндокрин
Нерв
• Медленно (минута);
• Быстро (<1 мс);
• Низкая вероятность попадания
в мишень (расстояние);
• Высокая вероятность воздействия
на мишень;
• Стратегии передачи сигналов:
эндокринные, парный (ауто)
крин;
• Стратегии передачи сигналов:
парный (ауто) крин,
синаптический;
• Высокая активность(<10-8 М);
• Относительно низкая активность
(10-4 М);
• Мишенями являются все
клетки, имеющие рецептор.
• Мишень – это в основном
постсинаптическая клетка.

30.

Классификация сигнальных
соединений по структуре
Сигнальные соединения
Липиды
Производные
аминокислот
Нуклеотиды
Белок-пептид
Стероиды
Производные
полиненасыщенных
жирных кислот
Фосфолипиды
Сфинголипиды
Гормоны,
цитокины,
факторы
роста
Внеклеточные
протеазы

31.

Сигнальные молекулы: малые молекулы и
гидрофобные молекулы
Они активируют внутриклеточные рецепторные белки и изменяют способность
некоторых генов регулировать транскрипцию.
Лиганды ряда таких рецепторов неизвестны – они называются сиротскими
ядерными рецепторами. К ним относятся 48 из 24 известных ядерных рецепторов
человеческого генома. Некоторые ядерные рецепторы регулируются клеточными
метаболитами – рецепторами, активируемыми пролифератором пероксисом
(PPARs).