Лекция Биофизика. Лекции по биофизике. Лекции по биофизике учебнометодическое пособие
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Сигнальная функция биологических мембран Межклеточная коммуникация (взаимодействие) посредством внеклеточных сигнальных молекул–лигандов включает несколько основных этапов: Биосинтез сигнальных молекул Секреция сигнальных молекул Транспорт сигнальных молекул к клеткам – мишеням Восприятие сигнала специфическим рецептором Изменение клеточного метаболизма или экспрессии генов, запускаемое лиганд – рецепторным комплексом Устранение действия сигнального механизма и прекращение клеточного ответа на сигнал Межклеточные сигнальные молекулы, в отличие от вторичных посредников, часто называют первичными посредниками. Рассмотрим классификацию, которая учитывает химическую структуру сигнальной молекулы и способ ее действия. 1) Небольшие липофильные молекулы, которые диффундируют через мембрану и связываются с внутриклеточными рецепторами. 2) Липофильные молекулы, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной мембраны. 3) Гидрофильные молекулы, которые взаимодействуют с рецепторами клеточной мембраны. К первой группе относятся стероидные гормоны, вырабатываемые половыми железами и корой надпочечников, а также тиреоидные гормоны. Рецепторы стероидных гормонов обладают высокой избирательностью к лиганду. В неактивном состоянии рецептор стероидного гормона присутствует в клетке в виде комплекса с белком – ингибитором. Связывание гормона с рецептором вызывает конформационные изменения в молекуле рецептора, что приводит к уменьшению его сродства к белку – ингибитору и диссоциации комплекса. Затем происходит димеризация рецепторов, что повышает его сродство к ДНК. Итогом является инициация транскрипции определенных генов. Ко второй группе сигнальных молекул относятся производные арахидоновой кислоты – эйкозаноиды (от греческого слова eikosi – 20, С 20 – количество атомов углерода в этой жирной кислоте). Их представителями являются простагландины, лейкотриены, простациклины и тромбоксаны. Эйкозаноиды образуются практически во всех клетках, их биосинтез инициируется фосфолипазой А 2 . Эйкозаноиды регулируют многие физиологические процессы: стимуляцию сокращения гладкомышечных клеток, болевые и воспалительные реакции, секрецию желудочного сока, агрегацию тромбоцитов и др. Наиболее хорошо из этой группы сигнальных молекул изучены простагландины. В отличие от классических гормонов простагландины синтезируются во всех типах тканей, а не в 76 специализированных эндокринных клетках. Секреция простагландинов идет конститутивно с невысокой скоростью. При поступлении регуляторных сигналов скорость секреции возрастает. В отличие от других липофильных сигнальных молекул простагландины действуют через мембранные рецепторы. Их регуляторное действие распространяется как на синтезирующие их клетки (аутокринное действие), так и на близлежащие клетки (паракринное действие). Третью группу сигнальных молекул составляют гидрофильные гормоны, факторы роста, лимфокины (цитокины), нейротрансмиттеры. Гормоны вырабатываются специализированными эндокринными железами или клетками, транспортируются к клеткам – мишеням посредством кровотока. Иногда факторы роста и цитокины объединяют в группу гистогормонов. Общим для них является следующее. вырабатываются обычными неэндокринными клетками распространяются путем диффузии в межклеточное пространство оказывают паракринное или аутокринное действие Факторы роста представляют собой белки, которые стимулируют (ингибируют) деление и развитие определенных клеток. Примеры факторов роста: эпидермальный фактор роста фактор роста нейронов фактор роста фибробластов и др. Цитокины участвуют в воспалительных, иммунных и других защитных реакциях организма. В связи с этим они вырабатываются клетками иммунной системы. Примерами цитокинов могут служить интелейкины и интерфероны. Общим механизмом действия гидрофильных сигнальных молекул является запуск каскадов внутриклеточных сигналов, приводящих к определенным физиологическим эффектам. Сигнальная система, возбуждающаяся посредством гидрофильных сигнальных молекул, включает три основных компонента. 1) Рецептор, специфически узнающий и взаимодействующий с сигнальной молекулой. 2) Трансдуктор сигнала – гетеротримерный ГТФ – связывающий белок (G – белок). 3) Эффектор, воспринимающий и усиливающий сигнал. Взаимодействие лиганда с рецептором вызывает запуск каскадного механизма, усиливающего исходный сигнал, что сопровождается образованием вторичного посредника, и он в качестве внутриклеточного медиатора вызывает активацию соответствующей протеинкиназы, фосфорилирующей определенные белки, что, в конечном счете, ведет к физиологическому эффекту: Сигнальная молекула Рецептор 77 Преобразователь Усилитель Фосфорилированный предшественник Вторичный мессенджер Внутриклеточный эффектор Клеточный ответ Мембранные рецепторы представляют собой интегральные белки, которые связывают сигнальные вещества на внешней поверхности мембраны. За счет изменения пространственной структуры они генерируют новый сигнал на внутренней стороне мембраны. Этим сигналом определяются дальнейшие события, приводящие к физиологическому ответу. Рецепторы находятся в двух состояниях – активном и неактивном. Равновесие между этими двумя состояниями зависит от природы лиганда, связывающегося с рецептором. Агент, который переводит рецептор в активное состояние, называется агонистом., в неактивное – антагонистом. Все рецепторы обладают рядом общих характеристик: Характеристики Объяснение Селективность Это свойство основано на строгой структурной специфичности. Данный лиганд должен быть либо единственным веществом, связывающимся с рецептором, либо эффективно конкурировать с другими за места связывания Насыщаемость Число мест связывания должно быть конечным Сродство к лиганду Насыщение происходит при физиологических концентрациях агониста Тканевая специфичность Связывание агониста происходит в той ткани, где наблюдается его биологическое действие Обратимость действия Блокада связывания агониста с рецептором должна приводить к обратимости биологического эффекта Один из подходов к классификации рецепторов учитывает агонисты, с которыми взаимодействует рецептор. В этой связи выделяют холинэргические, адренэргические, допаминэргические, серотониновые и др. рецепторы. 78 Другой принцип классификации основан на механизме передачи внеклеточного сигнала. Согласно этому подходу выделяют 4 типа рецепторов. 1) Рецепторы – каналы. Связывание с лигандом приводит к изменению конформации рецептора, что позволяет определенным ионам проходить через канал. Результатом активации таких рецепторов является изменение мембранного потенциала или внутриклеточного уровня вторичного посредника. Примеры: никотиновый ацетилхолиновый рецептор в нервно – мышечном соединении; Са 2+ -каналы саркоплазматического ретикулума. 2) Рецепторы, сопряженные с G – белками. В результате связывания лиганда с рецептором активируется G – белок, который стимулирует или ингибирует ферменты, производящие вторичные посредники. Примеры: холинэргические, адренэргические и др. 3) Каталитические рецепторы, проявляющие ферментативную активность. Этот класс рецепторов включает несколько подтипов: рецепторы, проявляющие гуанилатциклазную активность рецепторы, проявляющие фосфатазную активность рецепторы, проявляющие тирозинкиназную активность К последней подгруппе принадлежат рецепторы инсулина, многих ростовых факторов. 4) Рецепторы, не проявляющие каталитической активности, но сопряженные с тирозинкиназой. Связывание с лигандом приводит к димеризации мономерных рецепторов, которые активируют тирозинкиназу. Это рецепторы цитокинов, интерферонов, некоторых ростовых факторов. Тест–задания 1. Клеточные мембраны выполняют следующие функции: A. Компартментация B. Рецепторная C. Транспортная D. Проведение нервного импульса E. Мышечное сокращение F. Межклеточные взаимодействия 2. В состав биомембран входят: A. белки B. липиды C. гликопротеиды D. вода 3. Мембранные липиды представлены следующими классами: A. Фосфолипилы B. Гликопротеиды C. Гликолипиды D. Стероиды 4. К группе фосфолипидов относятся: A. фосфатидилхолин 79 B. фосфотидилинозит C. холестерин D. сфингомиелин E. гликофорин F. фосфоламбан G. фосфатидилсерин 5. Наибольшее влияние на микровязкость мембран оказывают: A. Холестерин B. Фосфолипиды C. Цереброзиды D. Сфингомиелин 6. Свойство амфифильности липидных молекул заключается в следующем: A. Вокруг них формируется гидратная оболочка B. Они способны образовывать конгломераты C. Они содержат полярные и неполярные группировки 7. Липидные молекулы являются: A. Гидрофобными соединениями B. Гидрофильными соединениями C. Амфифильными соединениями 8. Липиды в водной среде образуют следующие виды структур: A. Ламмелярные B. Везикулярные C. Мицеллярные D. Капиллярные 9. Жидкокристаллическое состояние мембранных липидов характеризуется следующими свойствами: A. Лиотропный мезоморфизм B. Термотропный мезоморфизм C. Анизотропия D. Изотропия 10. Фазовые переходы в мембране осуществляются между следующими состояниями: A. Гель - золь B. Гель - жидкая фаза C. Жидкий кристалл - гель 11. Кооперативность фазовых переходов наблюдается: A. В однородных мембранах B. В неоднородных мембранах C. В везикулах 12. Выделяют следующие механизмы генерализации фазовых переходов в мембране: A. Энтальпийно - энтропийная волна B. Активная волна преобразований C. Первично-диффузионная генерализация D. Вторично-диффузионная генерализация 13. К мембранным белкам относятся: A. ферментативные 80 B. структурные C. сократительные D. рецепторные 14. По расположению в мембране белки делятся на: A. переферические B. интегральные C. ферментативные D. полуинтегральные E. монотопические 15. Белки мембран составляют следующие функциональные группы (укажите неправильный ответ): A. Ферментативные B. Белки цитоскелета C. Сократительные D. Рецепторы 16. Липиды могут модифицировать структуру мембранных белков: A. Вторичную B. Третичную C. Четвертичную 17. Углеводы в мембранах присутствуют в виде: A. Гликопротеинов B. Протеогликанов C. Гликолипидов D. Полисахаридов 18. Углеводы в мембране выполняют следующие функции: A. Транспортная B. Рецепторная C. Окислительная D. Межклеточные контакты 19. Мозаичную модель мембраны предложили: A. Синжер и Николсон B. Даниэли и Девсон C. Варбург и Нигилейн D. Гортер и Грендель 20. Современным представлениям о структуре мембран соответствует: A. Модель липидного бислоя B. Мозаичная модель C. Унитарная модель Правильные варианты ответов 1. A, B, C, D, F 2. A, B, C 3. A, C, D 4. A, B, D, G 5. A 6. C 7. C 8. A, B, C 9. A, B, C 10. C 11. A 12. A, B, D 13. A, B, D 14. A, B, D, E 15. A, B, D 16. B, C 17. A, B, C 18. B, D 19. A 20. B 81 VI. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ Введение Биологические структуры относятся к открытым термодинамическим системам, постоянно обменивающимся в течение жизни с окружающей средой не только энергией, но и веществом. Роль биологических мембран – сопряжение и регуляция потоков энергии, вызывающих и сопровождающих процесс транспорта. Поэтому, транспорт веществ через биологические мембраны – необходимое условие для существование жизни. С ним связаны: метаболизм клетки; биоэнергитические процессы; биоэлектрические потенциалы. Нарушение мембранного транспорта ведет к возникновению различного типа клеточных дисфункций и патологий. Классификация видов транспорта Различают несколько классификаций видов транспорта: 1. Относительно изменения энергии в процессе переноса веществ транспорт подразделяется на активный и пассивный. Активный транспорт осуществляется с затратой энергии (локальное увеличение свободной энергии, за счѐт гидролиза АТФ) и против градиента концентрации. Более того, он сам создает и поддерживает этот градиент- первично – активный транспорт. Если же перенос веществ обеспечивает энергия, обусловленная градиентом ионов, созданным в ходе первично – активного транспорта – вторично – активный транспорт. Пассивный транспорт осуществляется без затраты энергии, протекает самопроизвольно и по градиенту концентрации. Градиент в процессе пассивного транспорта снижается и сопровождается локальным уменьшением свободной энергии. 2. Относительно количества переноса веществ через мембрану выделяют: Унипорт – перенос данного вещества (иона) не зависит от наличия и переноса других веществ и котранспорт – перенос данного вещества (иона) зависит от наличия и переноса других веществ. В этом случае скорость суммарного процесса контролируется наличием и доступностью для систем переноса обоих партнеров транспортного процесса. Котранспорт относительно направления подразделяют на симпорт и антипорт. При симпорте осуществляется однонаправленный и 82 одновременный транспорт, а при антипорте – одновременный, но разнонаправленный перенос веществ. Рис. 11. Виды транспорта 3. Специфические механизмы переноса веществ, связанные с нарушением структурной целостности мембраны: эндоцитоз и экзоцитоз – важнейшие процессы жизнедеятельности клетки, механизмы высвобождения медиатора в синаптическую щель, фагоцитоз лейкоцитов и др. Методы изучения транспорта 1. Осмотический – изменение объѐма клетки при транспорте воды. 2. Химический (цитохимический) – проникновение красителей, постановка цветных реакций. 3. Биохимический – функция ферментов – участников транспорта, 4. Изотопных меток: углерода (С 14 ), натрия (Na 22 ), рубидия (Rb 86 ) и др. 5. Спектро- и флюорометрический – изменение параметров поглощения и флюоресценции специфических веществ–меток, меняющих свои характеристики после взаимодействия с внутриклеточными структурами, 6. Опосредованные методы – измерение рН, вольтамперных характеристик. Пассивный транспорт и его виды Подчиняется закону Фика: dx dc DS dc dm Скорость переноса вещества зависит от градиента концентрации – dc/dx, площади (S) и коэффициента (D) диффузии. Подразделяется на: 1. Простую диффузия. 2. Облегченную диффузия. 83 Рис. 12. Зависимость скорости пассивного транспорта от концентрационного градиента: 1 – простая диффузия; 2 – облегченная диффузия. Простая диффузия отличается отсутствием специальных систем для переноса веществ. Подчиняется правилам Овертона: Скорость проникновения через мембрану прямо пропорциональна липотропности вещества и обратно пропорциональна – его размерам. Позднее Колландер из уравнения Фика вывел более удобно выражение для расчета потока (J) поступления веществ в клетку: ) ( 2 1 c c P J , где: с 1 и с 2 - разность концентраций по обе стороны мембраны Облегченную диффузия отличает наличие специфических структур, способствующих транспорту через мембрану: а) переносчики; б) ионные каналы. Наличие переносчиков изменяет кинетику транспорта, и она становится сходной с уравнениями ферментативного катализа, только в роли фермента выступает переносчик, в роли субстрата переносимое вещество (S): S K S J J T s m ax , где К T - константа транспорта соответствует константе Михаэлиса и равна концентрации S при J s =J max /2. Представители систем облегченной диффузии ионов (симпорт, антипорт) с участием специфических переносчиков: Na + /Cl — обмен Na + /Na +- -обмен Na + /H + – обмен Na + /Ca 2+ -обмен Cl - /HCO 3 -+ -обмен Cl - / Cl - -обмен антипорт – котранспорт K + /Cl — и Na + ,K + ,2Cl - – симпорт – котранспорт 84 Унипорт Ионофоры – небольшие гидрофобные молекулы, которые растворяются в липидном слое мембран и увеличивают проницаемость мембран для ионов. Большинство ионофоров синтезируется бактериями (в качестве оружия против своих конкурентов), некоторые являются антибиотиками. Широко используются в клеточной биологии. Ионофоры делятся на: 1. Подвижные переносчики. Имеют кольцеобразную структуру: наружная часть – гидрофобная и контактируют с липидным слоем; внутренняя часть – гидрофильная содержит карбоксильные атомы кислорода. 2. Каналообразующие. Состоят из линейных полипептидов, которые имеют гидрофобные боковые цепи. Две таких молекулы образуют канал Ионные каналы (унипорт) классифицируют: А) по типу ионов: натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные каналы; Б) по способу регуляции (Рис. 13): 1. потенциал-чувствительные 2. хемочувствительные (рецептор-управляемые) 3. внутриклеточными веществами (ионами, ФАВ). Рис. 13. Классификация ионных каналов по способу регуляции 1-потенциал-чувствительные; 2-хемочувствительные (рецептор- управляемые); 3-АТФ–чувствительные; 4-кальций-зависимые. Натриевые и калиевые каналы Размеры ионных каналов меньше одного нм (02-04 нм). Эти структуры обеспечивают важнейшие электрофизиологические свойства клеток и тканей, обеспечивая прохождение в 1с 10 6 -10 9 ионов, регулируются мембранным потенциалом и БАВ. Через ионные каналы Na + и K + следуют совместно с одной молекулой воды – гидратной оболочкой, хотя в растворе у иона таких оболочек может быть несколько (до 10). Таким образом, при прохождении через ионный канал происходит дегидратация катиона, на что требуется энергия. Роль этой энергии выполняет градиент ионов, так как ионный транспорт относится к пассивному виду переноса веществ через мембрану. В 85 процессе переноса катионов должны выполнятся два основных условия (фактора): 1. Стерический – совпадение размеров катиона+гидратная оболочка с размерами канала. 2. Энергетический – взаимодействие катиона с карбоксильными (ОТРИЦАТЕЛЬНО заряженными группировками самого канала). |