Биологические мембраны

• Название: Биологические мембраны
• Анкор: Биологические мембраны.doc
• Дата: 02.05.2017
• Размер: 1.56 Mb.
• Имя файла: Биологические мембраны.doc
• Тип: Документы; #6713
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство
• страница: 5 из 7

ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ

Любая молекула может пройти через липидный бислой, однако скорость пассивной диффу­зии веществ, т.е. перехода вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей, может сильно отличаться. Для некоторых моле­кул это занимает столь длительное время, что можно говорить об их практической непроница­емости для липидного бислоя мембраны. Скорость диффузии веществ через мембрану зависит глав­ным образом от размера молекул и их относи­тельной растворимости в жирах.

Легче всего проходят простой диффузией через липидную мембрану малые неполярные молеку­лы, такие как О₂, стероиды, тиреоидные гормоны, а также жирные кислоты. Малые полярные неза­ряженные молекулы — СО₂, NH₃, H₂O, этанол, мочевина — также диффундируют с достаточно большой скоростью. Диффузия глицерола идёт значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от раз­мера, липидная мембрана непроницаема.

Транспорт таких молекул возможен благода­ря наличию в мембранах либо белков, формиру­ющих в липидном слое каналы (поры), запол­ненные водой, через которые могут проходить вещества определённого размера простой диф­фузией, либо специфических белков-переносчи­ков, которые избирательно взаимодействуя с определёнными лигандами, облегчают их пере­нос через мембрану (облегчённая диффузия).

Кроме пассивного транспорта веществ, в клетках есть белки, активно перекачивающие определённые растворённые в воде вещества против их градиента, т.е. из меньшей концен­трации в область большей. Этот процесс, на­зываемый активным транспортом, осуществля­ется всегда с помощью белков-переносчиков и происходит с затратой энергии.

• 
  строение и функционирование белковых каналов
  

Каналы в мембране формируются интеграль­ными белками, которые «прерывают» липидный

бислой, образуя пору, заполненную водой. Стен­ки канала «выстилаются» радикалами аминокис­лот этих белков.

Если каналы различают вещества только по размеру и пропускают все молекулы меньше определённой величины, по градиенту концен­трации, т.е. служат фильтрами, то их называ­ют «неселективные каналы», или «поры». Такие поры есть в наружной мембране митохондрий, где молекулы белка-порина образуют широ­кие гидрофильные каналы. Через них могут проходить все молекулы с молекулярной мас­сой 10 кД и меньше, в том числе и небольшие белки.

Селективные каналы, как правило, участву­ют в переносе определённых ионов. Ионная селективность (избирательность) каналов оп­ределяется их диаметром и строением внут­ренней поверхности канала. Например, катионселективные каналы пропускают только катионы, так как содержат много отрицатель­но заряженных аминокислотных остатков.

Открытие или закрытие селективных ка­налов регулируется либо изменением концен­трации специфических регуляторов, таких как медиаторы, гормоны, циклические нуклеотиды, NO, G-белки, либо изменением транс­мембранного электрохимического потенциа­ла. Воздействие регуляторного фактора вызывает конформационные изме­нения каналообразующих белков, канал от­крывается и ионы проходят по градиенту кон­центрации. Транспорт веществ через каналы не приводит к конформационным изменени­ям белков и зависит только от разности кон­центраций веществ по обе стороны мембра­ны. Поэтому скорость транспорта веществ через такие каналы может достигать 10⁶-10⁸ ионов в секунду.

• 
  облегчённая диффузия веществ
  

В мембранах клеток существуют белки-транс-локазы. Взаимодействуя со специфическим лигандом, они обеспечивают его диффузию (транс­порт из области большей концентрации в область меньшей) через мембрану. В отличие от белко­вых каналов, транслоказы в процессе взаимодей­ствия с лигандом и переноса его через мембрану претерпевают конформационные изменения. Кинетически перенос веществ облегчённой диф­фузией напоминает ферментативную реакцию. Для транслоказ существует насыщающая концен­трация лиганда, при которой все центры связы­вания белка с лигандом заняты, и белки работа­ют с максимальной скоростью V_max. Поэтому скорость транспорта веществ облегчённой диф­фузией зависит не только от градиента концент­раций переносимого лиганда, 'но и от количе­ства белков-переносчиков в мембране.

Существуют транслоказы, переносящие толь­ко одно растворимое в воде вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой простой транспорт называют «пассивный унипорт».



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

Примером транслоказы, работающей по ме­ханизму пассивного антипорта, может служить анионный переносчик мембраны эритроцитов.


S₁ и S₂ – разные молекулы
Внутренняя митохондриальная мембрана со­держит много транслоказ, осуществляющих пас­сивный антипорт. В процессе тако­го переноса происходит эквивалентный обмен ионами, но не всегда эквивалентный обмен по заряду.

• 
  строение И функционирование БЕЛКОВ-ПЕРЕНОСЧИКОВ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИХ АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
  

Перенос некоторых лигандов (ионов, глюкозы, аминокислот) через мембраны происходит против градиента концентрации и сопряжён с затратой энергии (активный транспорт). Перенос лигандов через мембрану, связанный с затратой энергии АТФ, называют «первично-активный транспорт».
1. Первично-активный транспорт

Перенос некоторых неорганических ионов идёт против градиента концентрации при учас­тии транспортных АТФ-аз (ионных насосов). Все ионные насосы одновременно служат фер­ментами, способными к аутофосфорилированию и аутодефосфорилированию. АТФ-азы различа­ются по ионной специфичности, количеству пе­реносимых ионов, направлению транспорта. В результате функционирования АТФ-азы переносимые ионы накапливаются с одной сто­роны мембраны. Наиболее распространены в плазматической мембране клеток человека На⁺,К⁺-АТФ-аза, Са²⁺-АТФ-аза и Н⁺,К⁺,-АТФ-аза слизистой оболочки желудка.
Na⁺, К⁺-АТФ-аза

Этот фермент-переносчик катализирует АТФ-зависимый транспорт ионов Na⁺ и К⁺ через плаз­матическую мембрану. Nа⁺,К⁺-АТФ-аза состо­ит из субъединиц α и β; α - каталитическая большая субъединица, β - малая субъедини­ца (гликопротеин). Активная форма транслоказы — тетрамер (αβ)₂.

Na⁺,К⁺-АТФ-аза отвечает за поддержание высокой концентрации К⁺ в клетке и низкой концентрации Na⁺. Так как Nа⁺,К⁺-АТФ-аза вы­качивает три положительно заряженных иона, а закачивает два, то на мембране возникает элек­трический потенциал с отрицательным значе­нием на внутренней части клетки по отноше­нию к её наружной поверхности.
Са²⁺-АТФ-аза

В цитозоле «покоящихся» клеток концент­рация Са²⁺ составляет 10'⁷ моль/л, тогда как вне клетки она равна 2-10^-3 моль/л. Поддер­живает такую разницу в концентрации система активного транспорта ионов кальция; её основ­ные компоненты — кальциевые насосы — Са²⁺-АТФ-азы и Na⁺,Ca²⁺ -обменники.

Са²⁺-АТФ-аза локализована не только в плаз­матической мембране, но и в мембране ЭР. Фер­мент состоит из десяти трансмембранных до­менов, пронизывающих клеточную мембрану. Между вторым и третьим доменами находятся несколько остатков аспарагиновой кислоты, участвующих в связывании кальция. Область между четвёртым и пятым доменами имеет центр для присоединения АТФ и аутофосфорилирования по остатку аспарагиновой кислоты. Са²⁺-АТФ-азы плазматических мембран некоторых клеток регулируются белком кальмодулином. Каждая из Са²⁺-АТФ-аз плазматической мемб­раны и ЭР представлена несколькими изоформами.
Нарушение активности Са²⁺-АТФ-азы при па­тологии. Одна из причин нарушения работы

Са²⁺-АТФ-азы — активация перекисного окис­ления липидов (ПОЛ) мембран. Окислению подвергаются как ацильные остатки жирных кислот в составе фосфолипидов, так и SH-группы в активном центре фермента. Нарушение структуры липидного окружения и структуры активного центра приводит к изменению конформации АТФ-азы, потере сродства к ионам кальция и способности к аутофосфорилированию. АТФ-аза перестаёт выкачивать ионы кальция из цитозоля клетки, повышается кон­центрация внутриклеточного кальция, Са²⁺ уси­ливает мышечное сокращение, возрастает то­нус мышечной стенки, что приводит к повы­шению АД. Не последнюю роль нарушение функционирования Са²⁺-АТФ-азы играет в раз­витии атеросклероза, рака, иммунных патоло­гий.
2. Вторично-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). В клет­ках человека ионом, перенос которого проис­ходит по градиенту концентрации, чаще всего служит Na⁺.

Примером такого типа транспорта может слу­жить Nа⁺,Са²⁺-обменник плазматической мем­браны (активный антипорт), ионы натрия по градиенту концентрации переносятся в клетку, а ионы Са²⁺ против градиента концентрации выходят из клетки.

По механизму активного симпорта происхо­дят всасывание глюкозы клетками кишечника и реабсорбция из первичной мочи глюкозы, аминокислот клетками почек.

• 
  перенос через мембрану макромолекул И частиц: ЭНДОЦИТОЗ И ЗКОЦИТОЗ
  

Траспортные белки обеспечивают перемещение через клеточную мембрану полярных молекул не­большого размера, но они не могут транспортиро­вать макромолекулы, например белки, нуклеино­вые кислоты, полисахариды или ещё более крупные частицы. Механизмы, с помощью которых клетки могут усваивать такие вещества или удалять их из клетки, отличаются от механизмов транспорта ионов и полярных соединений.
1. Эндоцитоз

Перенос вещества из среды в клетку вместе с частью плазматической мембраны называют «эн­доцитоз». Путём 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.

Цикл эндоцитоза начинается в определённых участках плазматической мембраны, называемых «окаймлённые ямки». На долю окай­млённых ямок приходится всего 1-2% общей площади мембраны. Белок клатрин образует ре­шётчатые структуры, связанные с углублениями на поверхности плазматической мембраны.

Окаймлённые ямки втягиваются в клетку, су­жаются у основания, отделяются от мембраны, образуя окаймлённые пузырьки (пиноцитозные пузырьки). Время жизни окаймлённых ямок невелико, они формируются в течение минуты, затем совершают цикл эндоцитоза.

Вещества в составе пиноцитозных пузырьков не смешиваются с другими макромолекулами клетки. Они заканчивают свой путь в лизосомах, а мембранные компоненты пузырьков, со­держащие клатрин, возвращаются в плазмати­ческую мембрану.

Эндоцитоз, происходящий с участием рецеп­торов, встроенных в окаймлённые ямки, позво­ляет клеткам поглощать специфические веще­ства. Макромолекулы или частицы связываются рецепторами и накапливаются в окаймлённой ямке. Затем следует погружение в клетку и отде­ление эндоцитозного пузырька, в составе кото­рого находится поглощённое вещество, мембран­ные компоненты окаймлённой ямки и рецептор. В разные окаймлённые ямки могут быть встрое­ны разные рецепторы.

Примером рецептор-зависимого эндоцитоза может служить поступление в клетку холесте-рола в составе липопротеинов низкой плотнос­ти (ЛПНП).
2. Экзоцитоз

Макромолекулы, например белки плазмы крови, пептидные гормоны, пищеварительные ферменты, белки внеклеточного матрикса, липопротеиновые комплексы, синтезируются в клетках и затем секретируются в межклеточное пространство или кровь. Но мембрана непро­ницаема для таких макромолекул или комплек­сов, их секреция происходит путём экзоцитоза. Особенность экзоцитоза в том, что секретируемые вещества локализуются в пузырьках и не смешиваются с другими макромолекулами или органеллами клетки. В ходе экзоцитоза содер­жимое секреторных пузырьков выделяется во внеклеточное пространство, когда они слива­ются с плазматической мембраной.

В организме имеются как регулируемый, так и нерегулируемый пути экзоцитоза. Нерегули­руемая секреция характеризуется непрерывным синтезом секретируемых белков, упаковкой их в транспортные пузырьки в аппарате Гольджи и переносом к плазматической мембране для секреции. Примером может служить синтез и секреция коллагена фибробластами для форми­рования межклеточного матрикса.




Регуляция секреции инсулина. Повышение концентрации глюкозы приводит к увеличению соотношения АТФ/АДФ в β-клетке, закрытию АТФ-зависимых калиевых каналов, деполяризации, раскрытию потенциалзависимых кальциевых каналов, Повышение концентрации ионов калия и кальция в β-кпетке инициирует слияние секреторных пузырьков (инсулинсодержащих гранул) с мембраной и выделение содержимого пузырьков (инсулина] из клетки.
Для регулируемой секреции характерны хра­нение приготовленных на экспорт молекул в транспортных пузырьках и их слияние с плаз­матической мембраной только при воздей­ствии на клетку специфического стимула. С помощью регулируемой секреции происходят выделение пищеварительных ферментов в пе­риод переваривания пищи, а также секреция гормонов, нейромедиаторов и других биоло­гически активных веществ. Пример такого типа секреции — выброс пептидного гормо­на инсулина в кровь после еды. Стимулом к секреции инсулина, хранящегося в секретор­ных гранулах β-клеток островков Лангерханса поджелудочной железы, является повышение концентрации глюкозы в крови и β-клетках.


УЧАСТИЕ МЕМБРАН В МЕЖКЛЕТОЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ
В плазматической мембране эукариотических клеток содержится множество специализирован­ных рецепторов, которые, взаимодействуя с лигандами, вызывают специфические клеточ­ные ответы. Одни рецепторы связывают сиг­нальные молекулы — гормоны, нейромедиаторы, другие — питательные вещества и метабо­литы, третьи — участвуют в клеточной адгезии. Этот класс включает рецепторы, необходимые для узнавания клетками друг друга и для их ад­гезии, а также рецепторы, ответственные за свя­зывание клеток с белками внеклеточного мат­рикса, такими как фибронектин или коллаген.

Способность клеток к специфическому вза­имному узнаванию и адгезии важна для эмбри­онального развития. У взрослого человека адгезивные взаимодействия «клетка—клетка» и «клетка—матрикс» продолжают оставаться суще­ственными для поддержания стабильности тка­ней. В многочисленном семействе рецепторов клеточной адгезии наиболее изучены интегрины, селектины и кадгерины.

Интегрины — обширное суперсемейство гомологичных рецепторов клеточной поверх­ности для молекул межклеточного матрикса, таких как коллаген, фибронектин, ламинин и др. Являясь трансмембранными белками, они взаимодействуют как с внеклеточными молекулами, так и с внутриклеточными бел­ками цитоскелета. Благодаря этому интегрины участвуют в передаче информации из вне­клеточной среды в клетку, определяя таким образом направление её дифференцировки, форму, митотическую активность, способность к миграции. Передача информации может идти и в обратном направлении — от внутрикле­точных белков через рецептор во внеклеточ­ный матрикс.

Идентифицировано примерно 20 разных чле­нов семейства рецепторов в разных типах клеток.

Интегрины — гетеродимеры, а каждая субъе­диница (α, β) содержит один трансмембранный домен.

Индивидуальные интегрины строго специфич­ны. Центр связывания интегринов образован вне­клеточными доменами α- и β-субъединиц. Ин­тегрины узнают и связываются с белками, содер­жащими определённую аминокислотную последо­вательность -Арг-Гли-Асп-, присутствующую в ряде матриксных белков (фибронектин, фибрино­ген, ламинин, коллаген I типа и другие). Эффект связывания усиливается в присутствии ионов Са²⁺ и Mg²⁺.

Кадгерины и селектины — семейства трансмем­бранных Са²⁺-зависимых гликопротеинов, участву­ющих в межклеточной адгезии.

Кадгерины разных тканей очень схожи, гомо­логичные аминокислотные последовательности составляют 50—60%. Каждый рецептор имеет один трансмембранный домен. В отсутствие Са²⁺ конформация кадгеринов меняется, и они становятся доступными для протеолитических ферментов, которые их расщепляют. Наиболее полно охарак­теризованы 3 группы кадгериновых рецепторов:

• Е-кадгерин находится на поверхности мно­гих клеток эпителиальных и эмбриональных тканей;

• N-кадгерин локализован на поверхности нервных клеток, клеток сердца и хрусталика;

• Р-кадгерин расположен на клетках плацен­ты и эпидермиса.

Кадгерины играют важную роль при началь­ной межклеточной адгезии, на стадиях морфо-и органогенеза. Они обеспечивают структурную целостность и полярность тканей, особенно эпи­телиального монослоя.

В семействе селектиновых рецепторов наи­более хорошо изучены три белка: L-селектин,

Р-селектин и Е-селектин. Внеклеточная часть селектинов состоит из 3 доменов: первый до­мен представлен 2—9 блоками повторяющихся аминокислотных остатков (комплементрегуляторный белок), второй — домен эпидермального фактора роста (ЭФР), третий — N-концевой лектиновый домен. Селектины L, Р, Е различаются количеством блоков в комплементрегуляторном белке. Лектины — семей­ство белков, специфически взаимодействующих с определёнными последовательностями угле­водных остатков в составе гликопротеинов, протеогликанов и гликолипидов внеклеточного матрикса.

Углеводные структуры — поливалентные линкерные молекулы, которые могут быть суль-фатированы, фукозилированы и сиализированы. Связывание лигандов с рецепторами происходит в области N-концевого лектинового домена.