Биомембраны. Биомембраны. Структура и функциональная роль
 Скачать 138 Kb.
|
|
Биомембраны. Структура и функциональная роль.
Функции и задачи биомембран. Биомембраны выполняют двойную функцию:
Изучение биомембран важно для понимания жизнедеятельности организма в норме, для выяснения механизма патологии и для верного подхода к созданию комплекса врачебных мероприятий. Задачи биомембран:
Различают клеточную (плазматическую) и внутриклеточные биомембраны. Размеры, химический состав и строение биомембран. Биомембраны – надмолекулярные структуры. Их толщина очень мала (10 нм). Они представляют собой двумерные структуры. Химический состав: липиды (40%) и белки (60%) – количественное соотношение варьирует. Биомембраны, в большинстве своём, гетерогенны. Но есть и относительно простые биомембраны. Например, белковая часть внутриклеточных мембран палочек сетчатки содержит всего один белок – родопсин. Структурной основой биомембран являются липиды, большую часть которых составляют фосфолипиды. Общая структура фосфолипида:
 О|| ОН Р О Х | О | Гидрофильная СН2 СН СН2 часть | | О О | | С = О С = О  | |R1 R2 Гидрофобная часть Все фосфолипиды содержат полярную гидрофильную головку и два неполярных гидрофобных хвоста, следовательно, проявляют амфофильные свойства. В 1972 году Зингер и Николсон предложили Мозаичную модель биомембран, популярную и по настоящее время. Согласно этой теории, структурной основой биомембран является двойной липидный слой, в котором гидрофобные хвосты обращены внутрь биомембран и образуют единую углеводородную фазу, а полярные головки находятся снаружи, по обе поверхности билипидного слоя. Схематически:  Этот билипидный слой инкрустирован молекулами белка, которые делят на периферические и интегральные. Периферические белки – белки, которые целиком расположены на гидрофильной части слоя, т.е. только на поверхности мембран. Интегральные белки – белки, имеющие участки гидрофобной поверхности, они погружены на различную глубину в билипидный слой. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь и называются прошивающими. С учётом белкового компонента, схема примет вид:   - периферический белок - интегральный белок - прошивающий белокАсимметрия биомембран. Как белковый, так и липидный состав биомембран неодинаков. Фосфолипидные слои отличаются относительным содержанием компонентов, а расположение белков в зависимости от слоя имеет принципиальные, качественные отличия. Например, в плазматических мембранах к внутренней стороне примыкает больше белков-ферментов, а к наружной – больше белков узнавания и оборонительных белков. Сравним Мозаичную модель Зингера-Николсона с «Бутербродной» моделью Даниэли и Дайсона: принцип расположения липидов одинаковый. Однако в «Бутербродной» модели все белки – гидрофилы, а, следовательно, расположены только на поверхности мембраны, по обе стороны от билипидного слоя, т.е. возникает двусторонняя симметрия. Схема «Бутербродной» модели:  Силы, стабилизирующие мембранные структуры. Различают следующие силы взаимодействия:
Отдельная сильная связь прочнее слабой; чтобы её разрушить, необходимо приложить больше энергии. Однако кооперативный вклад слабых взаимодействий зачастую равен вкладу сильных. Целостность биомембран поддерживается слабыми связями, а определяющую роль играют гидрофобные взаимодействия между неполярными группировками в результате отталкивания молекул воды. В биомембране они возникают между хвостами липидов, а также между хвостами липидов и интегральными белками. Полярные головки липидов связываются с периферическими белками электростатическими силами. Физическое строение биомембран. Физическое строение биомембран определяется свойствами билипидного слоя. А они – жидкостные. Доказательства: 1. Мембранные липиды не закреплены жёстко и постоянно меняются местами. Различают 2 вида перемещений:
Для молекул липидного слоя характерен коэффициент диффузии  см2/с.Латеральную диффузию могут совершать мембранные белки. В данном случае коэффициент будет зависеть от глубины погружения белка и вязкости среды. Для периферических белков  см2/с, что соответствует вязкости оливкового масла. 2. Большинство мембранных липидов содержит двойные связи, т.е. являются ненасыщенными, с низкой температурой физиологического плавления. 3. Метод калориметрии. Микрокалориметрическими измерениями установлено, что при определённых условиях мембранно-фазовый переход соответствует плавлению липидов, т.е. температура плавления очень низка (нередко - отрицательна). Однако мембраны не растекаются, а поддерживают объём клетки. Это становится возможным благодаря сложной пространственной структуре, напоминающей кристаллическую, характерную для твёрдых тел. В биомембранах сочетается упорядоченность и подвижность, т.е. биомембраны находятся в жидко-кристаллическом состоянии, «белковые айсберги плавают в липидном море». Часть белковых молекул закреплено на цитоплазматических структурах клетки микротрубочками и микрофиламентами, являющимися стабилизаторами клеточной поверхности. Методы анализа структуры биомембран.
В организме практически нет парамагнетиков и сильно флуоресцирующих веществ, следовательно, 3-ий и 4-ый методы используются в определённой модификации: в организм вводят парамагнитные или флуоресцирующие метки и зонды. Метка – молекула, встраивающаяся в мембрану и удерживающаяся в ней ковалентными связями. Зонд - молекула, встраивающаяся в мембрану и удерживающаяся в ней слабыми взаимодействиями. С помощью меток удаётся установить структуру молекул и взаимную ориентацию их частей. А с помощью зондов можно также установить вязкость – физическое состояние окружения молекул. Недостаток данных методов – они влияют на свойства объекта. ЯМР позволяет установить структуру молекул, подвижность отдельных группировок в них. Применяется в клинической диагностике болезней, связанных с изменением структурного состояния органов и тканей (в т.ч. онкологических). Производится сканирование (послойный просмотр участка) – ЯМР-интраскопия. Преимущества: не оказывает вредного воздействия на организм. Искусственные липидные мембраны (БЛМ) – получают при контакте смеси липидов, растворённых в органике с водой. Различают плоские и сферические (везикулярные) искусственные мембраны. Они также имеют 2-х-слойное строение. Физические свойства БЛМ близки к свойствам биомембран (толщина, электроёмкость). Но БЛМ не обладают метаболической активностью, так как не имеют в своём составе белков. Применяются для изучения проницаемости и транспорта веществ. Многослойные везикулярные мембраны (липосомы) – замкнутые частицы, образованные рядами концентрических билипидных слоёв, раздёлённых водным пространством. Толщина каждого билипидного слоя в 3-4 раза больше, чем у водной прослойки. Диаметр липосомы 5-50 мкм. Используются в терапии как капсулы для доставки лекарственных препаратов в органы и ткани (липосома + антитело – транспорт к ткани-антигену). Преимущества: нетоксичны, полностью усваиваемы, способны преодолевать ряд барьеров. Схема:  Биомембраны. Мембранный транспорт.
Проницаемость биомембран. Виды трансмембранного переноса веществ. Проницаемость – свойство мембран пропускать различные вещества. Селективность (избирательность) – различная проницаемость для разных соединений. У биомембран селективность высокая. Существует два принципиально различных типа переноса вещества через мембрану:
Градиент – характеризует быстроту изменения параметра в пространстве (вдоль выбранного направления). Градиент – векторная характеристика. В биофизике принято градиент направлять от большего значения к меньшему. Пример: ГС – градиент концентраций, Г  - градиент потенциала. Свободная энергия F – характеризует способность системы совершать работу. Виды химических реакций:
Пассивный транспорт – перемещение вещества по концентрационному и электрическому градиентам. Характерные черты (критерии):
Активный транспорт – перенос против градиента, концентрационного или электрического. Характерные черты (критерии):
Пассивный мембранный транспорт: способы и математическое описание. Пассивный перенос растворённого вещества осуществляется путём диффузии, а растворителя – путём осмоса и фильтрации (физический смысл - диффузия). Диффузия – самопроизвольное перемещение вещества по его концентрационному или электрическому градиенту за счёт хаотического теплового движения его молекул (ионов). Диффузия в растворе нейтральных молекул описывается уравнением Фика:  , гдеm – масса вещества t – время D – коэффициент диффузии (зависит от свойств переносимого вещества) С – концентрация вещества S – площадь поверхности, через которую идёт перенос «-» показывает, что градиент концентрации уменьшается.  - плотность потока вещества – масса вещества, переносимая в единицу времени через единицу площади мембраны.  - плотность потока вещества пропорциональна градиенту его концентрации. Диффузия через мембрану нейтральных молекул:  b b – толщина мембраны С1 < С2 – концентрации переносимого вещества С1 мембрана С2  Заменим коэффициент D, зависящий от свойств субстрата на коэффициент a, зависящий от свойств мембраны:  Р – коэффициент проницаемости, зависящий от свойств мембраны. Диффузия через мембрану ионов: Пусть  [пси] – безразмерный потенциал,  , где - разность потенциалов через мембрану, мембранный потенциал [В]Z – заряд переносимого иона [элементарные единицы] F – число Фарадея = 9,65*107 Кл/кмоль R – универсальная газовая постоянная T – абсолютная температура [К].  Молекулярные механизмы пассивного мембранного транспорта. П   ассивный перенос (диффузия)П    ростая ОблегчённаяЧ   ерез липидный слой По каналам ГФБ, липиды, жировые клетки ГФЛ, аминокислоты, сахара, спирты, минеральные вещества, мочевина *** ГФБ – гидрофобные, ГФЛ – гидрофильные вещества. Способ передачи зависит от полярности молекул вещества. Простая диффузия (неопосредованный перенос):
Облегчённая диффузия (опосредованный перенос):
V  простаяоблегчённая C Сквозные каналы имеют белковую природу, их стенки выстланы полярными группировками. Диссоциация, адсорбция ионов из раствора приводит к появлению на внутренней поверхности каналов фиксированных зарядов, преимущественно отрицательных. Факторы, лимитирующие проникновение веществ через каналы:
Больше всего проницаемость для небольших и электронейтральных молекул воды. Причём для воды существует дополнительный, особый механизм проникновения через подвижные поры липидной природы. Мембранные липиды могут находится в двух основных пространственных конфигурациях – конформациях:
  Кинки Кинки могут перемещаться через мембрану при движении хвостов и самих липидов. Вода попадает в них и мигрирует вместе с ними. При облегчённой диффузии: специфический переносчик – компонент мембраны, имеющий центр связывания субстрата. Варианты:
Эстафетная передача – молекулы интегральных белков передают субстрат друг другу как эстафетную палочку. Активный мембранный транспорт. Характеристика бионасосов. В основе активного транспорта лежит сопряжение противоградиентных потоков вещества с гидролизом АТФ. Молекулярный механизм, локализованный в мембране и способный транспортировать вещества за счёт энергии гидролиза АТФ, называется биологическим насосом. В природе только ионные насосы:
Молекулярная организация и этапы работы Калий - Натриевого насоса. В основе устройства лежит фермент: калий, натрий – активируемая АТФ-аза. Функциональная единица состоит из 2-х полипептидных цепей:  и  - субъединиц. < и пересекает мембрану 1 раз. Одна концевая часть – в цитоплазме, другая – во внешней среде. пересекает мембрану 10 раз и образует несколько цепей. Оба конца находятся в цитоплазме. - субъединица имеет центры связывания ионов натрия и калия, а также фосфата, отщеплённого от АТФ.Связывание ионов происходит в петле между 2-ой и 3-ей спиралями цепи, а фосфата – между 4-ой и 5-ой спиралями. - субъединица не содержит центров связывания и обеспечивает правильную ориентацию - субъединиц в пространстве. Вместе обе субъединицы образуют компактную глобулу – протомер. При гидролизе АТФ четыре протомера взаимодействуют, объединяясь в олигомерный комплекс. В основе работы фермента в качестве насоса – его способность к изменению конформаций. Их две: Е1 – исходная конформация – фермент способен взаимодействовать с АТФ и ионами натрия с внутренней стороны мембраны. Его активные центры связывают и удерживают ионы натрия и терминальный фосфат АТФ. Переход в конформацию Е2 состоит в перемещении отдельных частей белковой глобулы и перестройке ионных центров. В результате петля, содержащая ионный центр связывания оказывается не в цитоплазме, а внутри мембраны, между спиралями 2 и 3, причём сам центр обращён наружу, во внеклеточную среду. Структура и свойства этого центра меняются: он теряет способность удерживать натрий и приобретает высокое сродство к калию. Минимуму свободной энергии отвечает исходная конформация Е1, поэтому переход в конформацию Е2 требует дополнительной энергии, а обратное превращение осуществляется самопроизвольно. Работа насоса осуществляется в 5 стадий:
Сопряжённый активный транспорт. ПВ – питательное вещество, ПМ – продукт метаболизма. Активный транспорт любых веществ сопряжён с ионным транспортом. Различают:
В основе сопряжённого активного транспорта – наличие ионных градиентов, созданных насосами. Энергия АТФ тратится именно на создание градиентов, поэтому ионный активный транспорт называют первичным, сопряжённый – вторичным. Распространённый вид сопряжения – сопряжение на переносчике. При этом происходит пассивный перенос ионов натрия и активный перенос ПВ или ПМ. Переносчиками являются пермеазы – мембранные прошивающие белки, имеющие 2 центра связывания:
Схема: связывание с субстратом => изменение конформации => перенос (ионов натрия с ПВ – Симпорт, а с ПМ - антипорт) |