Биологические мембраны
Методы исследования биологических мембран, их состав и структура. Выделение и характеристика мембранных фракций. Исследование структурной организации мембран. Мембранные липиды и белки. Фазовые переходы в липидном бислое. Понятие плазматической мембраны.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 21.09.2009 |
| Размер файла | 902,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
23
Реферат
по биологии
на тему:
"Биологические мембраны"
2009
Содержание
- 1. Биологические мембраны. История открытия
- 2. Методы исследования биологических мембран
- 2.1. Выделение и характеристика мембранных фракций
- 2.2 Исследование структурной организации мембран
- 2.3 Состав и структура биологической мембраны
- 2.4 Мембранные липиды
- 2.5 Фазовые переходы в липидном бислое
- 2.6 Мембранные белки
- 2.7 Плазматическая мембрана
1. Биологические мембраны. История открытия
Биологические мембраны - структуры, ограничивающие клетки и внутриклеточные органоиды. Мембраны содержат белки, липиды, углеводы, различные макромолекулы, а также в небольших количествах кофермешы, нуклеиновые кислоты, антиоксиданты, неорганические ионы и т.д.
Биологические мембраны состоят из нескольких молекулярных слоев, суммарная толщина которых обычно не превышает 10 нм.
Предположение о существовании мембран, отделяющих внутреннее содержимое живой клетки от окружающей среды, высказывалось еще в XIX в. На это указывали, в частности, данные о значительных различиях между составом клетки и окружающей среды. В 1890 г. немецкий исследователь В. Пфеффер предложил термин "клеточная, или плазматическая, мембрана". Однако увидеть и сфотографировать Р М удалось лишь в 40-е гг. XX в. при использовании электронного микроскопа. В 1935 г. Дж. Даниэлли и Г. Давсон сформулировали гипотезу двойного липидного слоя, определяющего строение ПМ. В 1964 г. Дж.Д. Робертсон развил данное представление, сформулировав концепцию асимметричности в строении ПМ. Согласно его теории биологическая мембрана содержит белки, которые связаны электростатически; на наружной поверхности Б М находятся гликолипиды. В 1966 г. Дж. Ленард и С. Сингер предложили жидкомозаичную модель структуры БМ, согласно которой белки "плавают" на поверхности липидного бислоя в виде глобулярных молекул, погруженных в БМ. В 1970 г.Г. Вандеркой и Д.Е. Грин предложили белково-кристаллическую модель структуры БМ; наличие в БМ жесткой белковой структуры обусловлено дальнодействующими белок - белковыми взаимодействиями. Отметим, что эти представления активно развиваются и сегодня. В настоящее время наиболее популярна теория жидкомозаичной мембраны.
Рассмотрим подробнее плазматическую мембрану. Р М играют важную роль в осуществлении следующих клеточных функций:
Липиды Р М подразделяют на фосфолипиды, гликолипиды, холестерин, триглицерол, стероиды и свободные жирные кислоты. Белки ПМ выполняют ряд функций и подразделяются на интегральные и периферические. Интегральные белки пронизывают липидный бислой ПМ и связаны с фосфоинозитидами. Периферические белки локализованы на поверхности ПМ.
Для Р М клетки характерно явление асимметрии, при котором распределение и состав липидов на цитоплазматической поверхности мембраны отличаются от распределения и состава на экстраклеточной. Явление асимметрии ПМ необходимо для:
поддержания исходной формы клетки;
фиксации белковой ориентации, способствующей максимальному проявлению их активности;
распознавания антигенов;
регуляции вязкости ПМ;
обеспечения процесса выведения старых клеток.
В настоящее время рассматриваются несколько общих факторов, регулирующих состояние ПМ. К ним относят действие температуры, состав жирных кислот, содержание холестерина, контакт ПМ с цитоскелетом, действие детергентов, анестетиков и гормонов.
Особый интерес представляют данные о наличии в ПМ специализированных областей. Функциональное значение данных структурных модификаций Р М заключается в определении различий между апикальной и базолатеральной поверхностями полярных клеток, создании барьеров между апикальной и базолатеральной мембранами, изменении характера процессов рецепции.
2. Методы исследования биологических мембран
В соответствии с задачами эксперимента при исследовании мембран применяются следующие методы.
2.1. Выделение и характеристика мембранных фракций
Для исследования молекулярного состава и структуры ПМ их выделяют из клеток путем разрушения и отделения центрифугированием. Известно, что в зависимости от плотности частицы осаждаются с разной скоростью и при постоянном центробежном ускорении скорость осаждения частиц пропорциональна их массе. Так, при ускорении 6 ООО g осаждаются ядра, затем митохондрии, а при 20 000 - 100 000 g - микросомы.
Разделение тканей на субклеточные фракции методом центрифугирования:
Для более полного разделения центрифугирование проводят несколько раз. При получении фракций, содержащих в основном мембраны одного типа, субклеточные фракции центрифугируют в градиенте плотности сахарозы или фикола. С целью идентификации и проверки чистоты полученных субклеточных фракций проверяют наличие примесей с помощью светового и электронного микроскопов; анализируют липидный состав или активность маркерных ферментов. В процессе проведения указанных операций некоторые компоненты нативных мембран могут быть утрачены. Поэтому следует обращать внимание на разные виды контроля.
2.2 Исследование структурной организации мембран
При изучении структуры мембраны большое значение имеют методы фазово-контрастной микроскопии, основанной на том, что структурные элементы с разными показателями преломления имеют неодинаковую яркость. Различные детали клеток можно, таким образом, дифференцировать, но мембраны при этом не видны, так как световой микроскоп позволяет видеть объекты размером не менее 20 нм, а толщина биомембран, как уже упоминалось, не превышает 10 нм.
Разрешающая способность электронных микроскопов гораздо выше. При длине волны, используемой в электронной микроскопии, можно различать объекты размером 0,5 - 1,0 нм, т.е. даже крупные молекулы. Электро1шая микроскопия позволяет связать данные о структуре объекта с результатами химического анализа. Однако этот метод имеет ряд существенных недостатков, которые необходимо учитывать при работе с биологическим материалом. Ведь предварительно исследуемый объект обезвоживают, фиксируют, затем контрастируют солями тяжелых металлов, что может привести к его искажению.
В последнее время в биофизике внедряется динамическая лазерная микроскопия, с помощью которой исследуются изменения формы живых объектов в трехмерном изображении.
Одним из наиболее точных методов исследования структуры молекул, составляющих мембрану клетки, является метод рентгеноструктурного анализа, основанный на дифракции рентгеновских лучей. Как правило, это явление наблюдается в тех случаях, когда на пути лучей встречаются препятствия, сравнимые по размеру с длиной волны луча. Если на исследуемый объект направляют параллельный пучок рентгеновских лучей, а за объектом помещают фотопленку, то на ней фиксируется дифракционная картина. На рентгенограмме наблюдается множество пятен, образующихся в результате интерференции лучей. Анализ рентгенограммы дает сведения о структуре объекта на молекулярном уровне. Ценность метода заключается в том, что появляется возможность, во-первых, изучить пространственное расположение молекул, точно измерить расстояние между ними, оценить их внутримолекулярную структуру, во-вторых, определить структуру молекулярных компонентов мембраны в не фиксированных клеточных препаратах.
Следующим традиционным методом исследования состояния мембран является ядерный магнитный резонанс. В основе ЯМР-спектроскопии лежит физическое явление поглощения электромагнитных волн ядрами атомов, обладающими магнитным моментом. При биологических исследованиях часто используют 13С, 1Н, 31 Р. Структура ЯМР-спектров зависит от величины дипольдипольных взаимодействий между данным ядром и соседними ядрами, неоднородностью магнитного поля и т.д. Процессы релаксации, связанные с дипольдипольными взаимодействиями, служат мерой, характеризующей "подвижность" отдельных атомов и молекул. Метод ЯМР позволяет получать информацию с высокой точностью об избирательном поведении отдельных частей молекул белков и липидов, составляющих биологическую мембрану.
В настоящее время имеются спектры ЯМР многих белков, что делает возможным наблюдение за структурными изменениями, сопровождающими их функционирование, а также изучение состояния воды в биологических мембранах. ЯМР на ядрах 31С применяют при исследовании структуры и поведения фосфолипидов в модельных и природных мембранах. Достоинство метода заключается в том, что в этом случае получают сведения непосредственно от молекулы конкретного фосфолипида, а не от посредника, как, например, при работе со спиновыми зондами. К недостаткам метода относят то, что ЯМР-спектры сложны и часто плохо разрешимы, кроме того, он имеет относительно малую чувствительность.
Метод электронного парамагнитного резонанса широко используется для исследований в области молекулярной и клеточной биофизики. Это явление было открыто русским физиком Е.К. Завойским в 1944 г. В дальнейшем оно послужило основой для создания метода спектроскопии ЭПР, который успешно применяют при изучении структуры молекул, содержащих парамагнитные частицы, а также кинетики изменений положения частицы при модификации конформации самой молекулы или ее соседей. В биологических объектах наиболее распространенными парамагнитными частицами являются свободные радикалы и ионы. Парамагнитными бывают ионы переходных металлов - Fe, Со, Ni, Си, Мз. Метод ЭПР дает возможность наблюдать их окислительно-восстановительные превращения и судить об изменении конформации включающих их комплексов. С помощью ЭПР исследуют также триплетные состояния, возникающие, например, в ходе фотобиологических реакций. Очень большое значение для мембранологии имеет использование спиновых зондов и меток, когда в исследуемую систему вводят стабильные свободные радикалы, по изменению характеристик спектров ЭПР которых судят о структурно-динамическом состоянии молекул мембраны.
Результаты, получаемые с помощью метода ЭПР и ЯМР, дают возможность выяснить структурную организацию мембран и их изменения при фунционировании. Кроме того, они дополняют электронно-микроскопические данные об ультраструктурной организации мембран.
При изучении структурной организации мембран применяются и многие другие физические методы, например флуоресцентная спектроскопия. Известно, что флуоресценция в клетках сопровождается возникновением электронно-возбужденных состояний, когда электрон переходит из основного состояния в возбужденное. Полученная молекулой энергия может расходоваться в виде тепла или излучаться в виде света. Испускание света осуществляется более длительное время, чем поглощение.
При работе с биологическими объектами, в частности с клеточными мембранами, регистрируют либо собственную флуоресценцию отдельных молекул ПМ, либо флуоресценцию зондов или меток, специально связанных с макромолекулой и введенных в клетку. Различают флуоресцентные зонды, связывающиеся с молекулами мембраны нековалентно, и флуоресцентные метки, образующие с молекулами мембраны химическую связь. При включении метки или зонда в мембрану их флуоресцентные свойства меняются, что дает информацию о структурных особенностях изучаемой системы.
Для исследования отдельных компонентов мембраны большой интерес представляют методы колебательной спектроскопии: инфракрасная спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния.
Кроме описанных выше методов изучения биологических мембран важную роль играет моделирование - формирование искусственных моно - или бислойных липидных мембран и протеолипосом базирующееся на том, что амфипатические молекулы липидов способны образовывать на границе раздела вода - органический растворитель мономолекулярные пленки. В настоящее время широко используются методы получения моно - и бислойных липидных мембран, а также методы формирования замкнутых пузырьков - везикул, липосом. В такие мембраны, как правило, вводят белки или мелкие фрагменты мембран, выделенных из клетки. Так как липидный бислой - обязательный компонент биологической мембраны, результаты, полученные при исследовании физических характеристик модели мембраны и ее проводимости, имеют большое значение для понимания ряда процессов организации и функционирования нативных биологических мембран. Возможности такого рода моделирования еще более расширяются при формировании протеолипосом.
Представленные методы применяются при исследовании практически всех видов клеточных мембран.
Иерархия моделей биологических мембран
Самосборка фосфолипидных везикул в водном растворе: 1 - молекулы фосфолипидов; 2 - их лизоформы; 3 - бислойная мембрана; 4 - липосома; 5 - пора в бислойной мембране; 6 - мицелла.
Один из способов конструирования искусственного липидного бислоя: один монослой образуется на границе раздела вода - гептан, другой - вокруг капли водного раствора, внесенного пипеткой в гептан; при их соприкосновении появляется истинный двойной слой
2.3 Состав и структура биологической мембраны
Как отмечалось выше, основными компонентами биологических мембран являются липиды, белки и углеводы, причем в процентном отношении большая часть массы приходится на долю белков и липи-дов. Кроме того, в мембранах выявлены такие минорные компоненты, как нуклеиновые кислоты, полиамины и неорганические ионы, а также связанная вода. Соотношение основных структурных компонентов - белков и лшшдов - значительно колеблется в зависимости от вида мембраны. Так, в мембранах митохондрии массовая доля белка составляет 60 - 65%, а липидов - 35 - 40%. В миелиновой оболочке нерва содержится всего 20 - 40% белка, остальные 60 - 80% составляют липиды. В табл.2.1 приводятся данные об относительном содержании белков и липидов в мембранах различных клеточных органелл.
Таблица 2.1 Содержание белков и липвдов в различных мембранах*,%
|
Структура мембраны |
Белки |
Липиды |
|
|
Миелин |
20 - 40 |
60-80 |
|
|
Эритроциты |
60 |
40 |
|
|
Митохондрии |
60-65 |
35 - 40 |
|
|
Ядра |
48 - 52 |
38 - 47 |
|
|
Хлоропласты |
50-60 |
40 - 50 |
|
|
Бактерии |
55 - 65 |
10 - 20 |
2.4 Мембранные липиды
Известно, что мембраны клеток животных, человека, растений и бактерий различны по своему липидному составу. Так, липиды хлоропластов содержат в основном моно - и дигалактодиглицериды, а в липидах мембран животных клеток преобладают фосфатидная кислота и фосфатидилэтаноламин. Различия в составе мембран органелл одной клетки менее выражены, однако ядерная, митохондриальная и микросомальная мембраны заметно отличаются друг от друга.
В состав биологических мембран входят липиды трех различных классов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. Основная роль в формировании бислойной липидной мембраны отводится фосфолипидам: глицерофосфолипидам - фосфатидилхолшгу, фосфатидилэтаноламину, фосфатидил-серину, фосфатидилинозитидам, сфинголитидам и сфингомиелинам. Структурная формула ФЛ, входящих в состав мембран животных клеток, представлена на рис.
Среди ФЛ наиболее распространены фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин и сфингомиелин. Так, в мембранах митохондрий половину от всех фосфолипидов составляет фосфатидилхолин. В большом количестве этот липид содержится и в других мембранах животных клеток.
Особое место среди фосфолипидов занимают фосфатидилсерии и фосфатидная кислота, полярные головки которых заряжены отрицательно, что определяет поверхностный заряд тех участков мембраны, где сосредоточены молекулы данных липидов.
Структура молекулы фосфатидилхолина
Молекула фосфолипида фосфатидилхолина, представленная схематически, в виде пространственной модели и символа
Различия в составе липидов в мембранах объясняются еще и тем, что ФЛ могут отличаться не только полярными "головками", но и жирно-кислотными хвостами. Функциональные свойства липидов во многом зависят от того, насыщенные или ненасыщенные жирные кислоты входят в состав ФЛ. На рис. показаны структура насыщенных и ненасыщенных жирных кислот и организация сформированных из них монослоев.
Таблица 2.2. Липидный состав мембран клеток млекопитающих, % от массы всех липидов
|
Липиды |
Плазматические мембраны |
Митохондрии |
Лизосомы |
Ядра |
Эидоплаз-матический ретикулум |
Комплекс Гольджи |
|
|
Фосфатидилхолин |
18,5 |
37,5 |
23,0 |
44,0 |
48,0 |
24,5 |
|
|
Сфингомиелин |
12,0 |
0 |
23,0 |
3,0 |
5,0 |
6,5 |
|
|
Фосфатидилзтаиоламии |
11,5 |
28,5 |
12,5 |
16,5 |
19,0 |
9,0 |
|
|
Фосфатид ил серии |
7,0 |
0 |
6,0 |
3,5 |
4,0 |
2,5 |
|
|
Фосфатидилинозитол |
3,0 |
2,5 |
6,0 |
6,0 |
7,5 |
5,0 |
|
|
Лизофосфатидилхолин |
2,5 |
0 |
0 |
1,0 |
1,5 |
3,0 |
|
|
Дифосфатидилглицерин |
0 |
14,0 |
5,0 |
1,0 |
0 |
0 |
|
|
Другие фосфолипиды |
2,5 |
- |
- |
- |
- |
- |
|
|
Холестерин |
19,5 |
- |
14,0 |
10,0 |
5,5 |
7,5 |
|
|
Эфиры холестерина |
2,5 |
2,5 |
8,0 |
1,0 |
1,0 |
4,5 |
|
|
Свободные жирные кислоты |
6,0 |
- |
- |
9,0 |
3,5 |
18,0 |
|
|
Другие липиды |
15,0 |
15,0 |
2,5 |
5,0 |
5,0 |
16,0 |
Образование мембранных структур представляет собой динамический процесс усложнения числа монослоев липидов в мембране. Искусственные мембраны подразделяют на:
1) монослой - мембрана, состоящая из одного слоя молекул липида на границе полярной фазы;
2) бислой - мембрана, состоящая из двух слоев молекул липида, - БЛМ;
3) мультиламеллярные липосомы - везикулы, мембраны которых образованы несколькими БЛМ;
4) моноламеллярные липосомы - везикулы, мембраны которых образованы одной БЛМ;
5) протеолипосомы - липосомы, в состав мембран которых включены белки.
Известно, что формирование и устойчивость мембран определяются поверхностными явлениями и межмолекулярными взаимодействиями. Поверхностные явления в БЛМ описываются уравнением адсорбции Гиббса:
где у - поверхностное натяжение; Г, - степень адсорбции на поверхности; м - химический потенциал. Для бинарной системы, например для системы липид-вода, уравнение Гиббса приобретает более простой вид:
При Г2 = 0, т.е. низкой концентрации растворенного вещества, адсорбирующегося на поверхности раздела фаз,
В случае разбавленных растворов Ьм = RTlna = RTlnC, тогда
Если - do/dC - поверхностная активность при С, стремящемся к нулю, то для поверхностно-активных веществ da/dC < О, Г > 0.
Под энергией гидрофобных взаимодействий подразумевают работу переноса липида из воды в органическую фазу. Известно, что энергия ГВ увеличивается по мере роста длины углеводородной цепи. ГВ также зависят от:
1) характера электростатического взаимодействия между NH+ - группами и фосфатными группами;
2) энергии гидратации;
3) типа электростатических взаимодействий. Электростатические взаимодействия подразделяют на:
латеральные - взаимодействие заряженных групп, расположенных в одном полуслое БЛМ;
трансмембранные - взаимодействия заряженных групп, расположенных по разные стороны одной мембраны;
межмембранные - взаимодействия заряженных групп, расположенных на поверхности двух соседних мембран.
2.5 Фазовые переходы в липидном бислое
Совокупность данных, полученных с помощью различных физико-химических методов, позволяет заключить, что в биологических и модельных мембранах липидный бислой может находиться в состоянии либо твердого двумерного кристалла, либо бимолекулярной жидкой пленки. В дальнейшем мы будем говорить просто о твердом и жидком состояниях липидного бислоя в мембранах. В обоих случаях сохраняется бимолекулярная структура липидной фазы, а молекулы фосфолипидов имеют плотную гексагональную упаковку в плоскости мембраны, но ее плотность в твердом и жидком состоянии неодинаковая и зависит от структуры жирных кислот. Например, молекула фосфатидилхолииа в твердом состоянии бислоя занимает площадь 0,46 - 0,48 нм2, а в жидком - 0,6 - 0,8 нм2. Соответственно изменяется и толщина бислоя: в жидком состоянии она меньше, чем в твердом. БЛМ в указанных состояниях различаются вязкостью липидной фазы и растворимостью в ней веществ. Молекулярную основу данных различий составляют конформации жирно-кислотных цепей. Отдельная жирно-кислотная цепь может принимать множество конформаций благодаря вращению вокруг одинарных С - С-связей. В липидном бислое за счет плотной упаковки молекул в норме реализуются преимущественно две плоские конформаций углеводородной цепи - транс - и мс-конформации, но существуют и промежуточные.
В твердом состоянии все молекулы фосфолипида обладают транс-конформацией углеводородных цепей жирных кислот, что определяет их ограниченную подвижность в БЛМ. В этом случае осуществляются лишь небольшие согласованные колебания или вращательные движения возле точки крепления жирной кислоты и полярной группы ФЛ. В жидком состоянии БЛМ возможны тепловые движения жирно-кислотных цепей, сопровождающиеся гош-переходами. Важно отметить, что расположенные рядом гош-конформации могут образовывать полости в бислое, в которые и попадают молекулы, "захваченные" из раствора. Изменения конформаций цепей вызывают движение такого кинка вместе с находящимися в нем молекулами вдоль цепи или между цепями.
Расположение СН-связей этана в трансцис - и промежуточной конформациях
Углеводородные цепи в трене-конфигурации, гош-транс-гош-конфигурации, цис-транс-гош-конфигурации
Кник-блоки в углеводородных цепях мембран: а - в одном полуслое; б - в двух монослоях липидного бислоя
Гипотеза петли предполагает, что плавление цепей ЖК при фазовом переходе обусловлено вращательной изомеризацией. Наименьшей энергией обладает транс-, а наибольшей - ис-конфигурация ЖК. Формирование кинка сопровождается уменьшением эффективной длины цепи на 0,13 нм. При этом часть цепи отодвигается па 0,15 нм, образуя свободный объем, в результате общий объем липида увеличивается на 0,025 - 0,050 нм3. Согласно современным представлениям структура кинка способна к диффузии, которая описывается соотношением D = 0,5 w 2, где D - коэффициент диффузии; w - частота скачка кинка; L - шаг одного скачка. Образование одного кинка облегчает возникновение кинков в соседних цепях, стимулируя их чередование в липидах ПМ. Появление в ходе такого процесса так называемых кинк-блоков приводит, как правило, к разупорядоченности структуры мембраны. Вероятно, трансмембранный перенос малых молекул через мембрану осуществляется внутри свободного объема кинк-блока. Температура фазового перехода зависит от размера боковых цепей ЖК. Действительно, длинные цепи ЖК уменьшают текучесть мембран, а появление двойных связей приводит к ее повышению. Фазовый переход наблюдается, как правило, в интервале температур от 0,2 до 1,0 С0, при этом одна фаза возникает в матриксе другой фазы с образованием большого числа доменов новой фазы. Можно представить данный процесс схематически:
где А - жидкая фаза; Б - кристаллическая фаза; И - степень перехода из одной фазы в другую; С - доля молекул в каждой из фаз. Тогда
или после применения уравнения Вант-Гофа может быть определена из соотношения
I
а число молекул в кооперативной единице
В случае, когда 0/Явг = 1, кооперативность в процессе фазового перехода в мембране отсутствует; при у " 1 процесс кооперативен. Межмолекулярные контакты в мембране осуществляются за счет липид-липидных, липид-белковых и белок-белковых взаимодействий.
Липид-липидные взаимодействия зависят от:
1) энергии электростатических сил;
2) стерического фактора локализации в мембране фосфолипидных "головок" и "хвостов";
3) энергии гидратации и образования водородных связей;
4) образования фосфолипидных доменов. Липид-белковые взаимодействия определяются:
1) сорбцией и электростатическим взаимодействием белка и липида на поверхности монослоя;
2) внутримембранным встраиванием и взаимодействием белка и липида в БЛМ.
Белок-белковые взаимодействия обусловлены поверхностной и внутримембранной ориентацией молекул белка.
2.6 Мембранные белки
Белки, входящие в состав мембран, как правило, гидрофобные глобулярные структуры, достаточно прочно связанные с мембранами за счет не только гидрофобных, но и электростатических взаимодействий. По степени влияния на структуру бислоя и силе взаимодействия с мембраной белки делятся на интегральные и периферические: первые пронизывают мембрану, их трудно выделить без разрушения целостности мембраны; вторые локализованы на поверхности липидного бислоя мембраны и легко экстрагируются. Основою роль в ориентации интегральных белков в мембране играют гидрофобные взаимодействия. Периферические белки удерживаются на мембране преимущественно электростатическими взаимодействиями. Молекулы периферических белков разрушаются протеолитическими ферментами полностью, а интегральных белков - частично; протеолизу подвергаются лишь те компоненты интегральных белков, которые вступают в контакт с гидрофильной средой.
В настоящее время идентифицировано более 30 мембранных белков с относительной молекулярной массой 10 000 - 240 000. Мембранные белки выполняют различные функции. Наиболее широко распространены белки-ферменты: интегральные и периферические. Рецепторы и белки, определяющие иммунную реакцию клетки, могут быть как интегральными, так и периферическими компонентами мембран. Часто рецепторы входят в состав более сложных мембранных комплексов, содержащих "белки-исполнители". Отметим, что структурные белки, в частности белки цитоскелета, в основном периферические.
Четыре способа ассоциации мембранных белков с липидным бислоем. Некоторые белки пронизывают бислой насквозь, некоторые удерживаются не-ковалентными взаимодействиями с другими мембранными белками. Окончательно не выяснено, существуют ли белки, лишь частично погруженные в бислой. Есть мембранные белки, к которым ковалентно присоединена одна или более цепей жирных кислот, помогающих белку "заякориваться" в том или другом монослое. Хотя большинство таких белков являются трансмембранными, некоторые могут ими и не быть
Рассматривая характер липид-белковых взаимоотношений в мембране, необходимо отметить, что данные процессы протекают на фоне латеральной диффузии белков и липидов, а также "флип-флоп"-перехода липидов. Под латеральной диффузией понимают хаотическое тепловое перемещение белков и липидов в плоскости мембраны. Этот показатель определяется рядом параметров, которые связаны следующими соотношениями:
где i?"1 - частота обмена молекул местами, с-1; D - коэффициент латеральной диффузии, м2/с; А - площадь молекулы фосфолипида, м2; S - расстояние, перескакиваемое молекулой при ЛД; t - время перескока, с.
Под "флип-флоп"-переходом фосфолипидов в мембране подразумевается перемещение молекул из одного монослоя в другой; процесс продолжается в течение 15 - 60 мин и является основой асимметричного распределения фосфолипидных молекул по разные стороны мембран. Явление асимметрии обеспечивает постоянство пространственного расположения липидов и структурную организацию липид-белковых комплексов.
2.7 Плазматическая мембрана
Плазматическая мембрана представляет собой барьер с высокоизбирательной проницаемостью, который отделяет клетку от окружающей среды и одновременно контактирует с внутриклеточными органеллами. Сама плазматическая мембрана есть сложное образование, состоящее из нескольких слоев. Периферическая зона ПМ у растительных и животных клеток различна. Непосредственно с ПМ соприкасается та область цитоплазмы, которая отличается малым содержанием органелл. У растительных и бактериальных клеток имеется клеточная стенка - толстая прочная оболочка, состоящая из нескольких слоев, включающих белки, полисахариды и другие специфические компоненты. Толщина оболочки различна, как и ее проницаемость, для низкомолекулярных веществ. В животных клетках эта структура обычно отсутствует.
Изображение клеточной мембраны на электронной микрофотографии
У одноклеточных организмов ПМ представляет собой однородный барьер, в то время как у ПМ клетки ткани возможны изменения структуры, связанные с наличием межклеточных контактов. Известно несколько видов межклеточных контактов. При плотном контакте мембраны клеток примыкают друг к другу достаточно близко, возможны и межклеточные соединения, посредством которых осуществляется обмен молекул и ионов. При щелевом контакте мембраны соседних клеток разделены межклеточным пространством шириной до 2 нм. Здесь при функционировании необходим перенос ионов и небольших молекул через межклеточное пространство. Иногда мембраны клеток разделены более широким пространством - от 15 до 35 нм. В данном случае наблюдают изменения примембранного слоя цитоплазмы и даже самой мембраны. Такой тип межклеточного контакта называется десмосомой.
Схематическая модель участка клеточной мембраны
Типы межклеточных контактов: а - плотный, б - контакт со щелью; в - десмосома
В ПМ постоянно происходит движение макромолекул, ее эластичность меняется. Однако связь механических изменений с функционированием мембраны исследована мало. Трудно также определить, какие механические изменения связаны с самой плазматической мембраной и какие - с гиалоплазмой.
В плазматических мембранах всех эукариотических клеток большинство белков, расположенных на поверхности клетки, и некоторые липидные молекулы наружного монослоя ковалентно связаны с олигосахаридными цепями. Углеводные цепи могут быть сложными. Функции их пока не установлены, но предполагается, что некоторые из олигосахаридных цепей участвуют в процессах межклеточной рецепции.
Функции плазматических мембран многообразны: механическая защита содержимого клеток; их электрическая изоляция от окружающей среды; участие в синтезе компонентов клеточных стенок и локализация рецепторов и поверхностных антигенов; поглощение света; адгезия и слияние; избирательное пропускание ионов и небольших молекул; проведете нервного импульса; экзоцитоз и эндоцитоз; осуществление пьезоэлектрического эффекта; функция "биологических часов". Большинство из перечисленных функций плазматической мембраны тесно связано с работой целой клетки. Ведущая роль именно плазматической мембраны заключается в обеспечении адгезии, экто - и эндоцитоза.
Адгезия клеток. Одна из важнейших функций плазматических мембран - обеспечение сцепления клеток друг с другом. Соединение клеток возможно благодаря наличию на их поверхности специализированных структур - выростов. Осуществляется сцепление клеток разными способами: в одних случаях создается механическое сцепление по типу "выступ - гнездо", в других между молекулами, входящими в состав структур-выступов, устанавливается химическая связь. Существует предположение, что межклеточная жидкость содержит склеивающее вещество. Основой для такого типа контакта может быть органическая соль кальция, образующая связи с карбоксильными группами белков и липидов. Это предположение подтверждается тем, что с понижением концентрации кальция в межклеточной жидкости способность клеток к адгезии уменьшается.
Взаимодействие клеток существенно зависит от величины поверхностного заряда ПМ. Отрицательный заряд на поверхности клеток вызывает их взаимное отталкивание, сила которого определяется величиной электрокинетического потенциала. Если действием трипсина вызвать полную дезинтеграцию клеток тканей, то через некоторое время можно наблюдать слияние однотипных клеток и образование агрегатов из клеток одной ткани. Если смешать клетки зародышей разных видов, то их последующая адгезия будет связана не с видовой специфичностью, а с тканевой принадлежностью. По-видимому, организация клеток в ткани обусловлена локализацией на клеточной поверхности специального механизма. Способность к адгезии у всех клеток различна: клетки злокачественных опухолей обладают более низкой способностью к адгезии, чем нормальные, что объясняется пониженным содержанием Са2+ в раковых клетках и соответственно их высоким поверхностным зарядом. Повышение электрокинетического потенциала вызывает возрастание сил взаимного отталкивания, поэтому опухолевые клетки обладают более высокой подвижностью по сравнению с нормальными. Они легко отрываются от опухоли и уносятся с током тканевой жидкости, инициируя образование метастазов.
Экзоцитоз и эндоцитоз. Клетки выделяют секрет и поглощают макромолекулы посредством экзоцитоза и эндоцитоза. При экзоцитозе, когда везикулы сливаются с плазматической мембраной, их содержимое высвобождается наружу. Под термином "эндоцитоз" подразумеваются фагоцитоз и пиноцитоз - процессы, при которых твердые и жидкие материалы транспортируются из внеклеточного пространства внутрь клетки. При эндоцитозе локальные участки плазматической мембраны выпячиваются и отщепляются внутри клетки, формируя пузырьки. При фагоцитозе формируются крупные пузырьки, при пиноцитозе - мелкие. Большинство эндоцитозных пузырьков в конце концов сливаются с первичными лизосомами. При этом образуются вторичные лизосомы, в которых переваривается большая часть макромолекулярного содержимого пузырьков. Основная же часть мембранных компонентов пузырьков удаляется из вторичных лизосом и возвращается в плазматическую мембрану. Оба процесса - экзоцитоз и эндоцитоз - представляют собой локальные ответы ПМ и цитоплазмы клетки при выполнении функционального запроса. Большинство клеток животных участвует в формировании эндоцитозных пузырьков, что вызывает поглощение внеклеточной жидкости и растворенных в ней веществ. Крупные внеклеточные частицы, такие, как обломки клеток или микроорганизмы, захватываются фагоцитами - специализированными клетками, имеющими на поверхности рецепторы различных типов и обеспечивающими фагоцитоз. У одноклеточных эндоцитоз непосредственно связан с питанием; внутриклеточные вакуоли, образующиеся в результате слияния эндоцитозных пузырьков и лизосом, можно рассматривать как примитивный пищеварительный аппарат. У многоклеточных в результате фагоцитоза изолируются и уничтожаются проникающие в организм патогены.
При пиноцитозе клетки аккумулируют различные молекулы из внешней среды. Пиноцитозные пузырьки обычно очень малы и слаборазличимы в световом микроскопе. Они присутствуют в клетке в очень большом количестве.
Подобные документы
Виды биологических мембран и их функции. Мембранные белки. Виды и функции мембранных белков. Структура биологических мембран. Искусственные мембраны. Липосомы. Методы исследования структуры мембран. Физическое состояние и фазовые переходы в мембранах.
презентация [9,0 M], добавлен 21.05.2012Белки и липиды как основные компоненты мембран. Фосфолипидный состав субклеточных мембран печени крысы. Длинные углеводородные цепи. Мембраны грамположительных бактерий. Пути биосинтеза мембранных липидов и механизмы их доставки к местам назначения.
реферат [1,3 M], добавлен 30.07.2009Разнообразие и роль мембран в функционировании прокариотических и эукариотических клеток. Морфология мембран, их выделение. Дифракция рентгеновских лучей, электронная микроскопия. Разрушение клеток, разделение мембран. Критерии чистоты мембранных фракций.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 30.07.2009Строение мембран. Мембраны эритроцитов. Миелиновые мембраны. Мембраны хлоропластов. Внутренняя (цитоплазматическая) мембрана бактерий. Мембрана вирусов. Функции мембран. Транспорт через мембраны. Пассивный транспорт. Активный транспорт. Ca2+ –насос.
реферат [18,2 K], добавлен 22.03.2002Функции биологических мембран и их компонентов. Спектроскопические методы измерения скорости вращения липидов и белков внутри мембраны и скорости латеральной диффузии этих компонентов в плоскости мембраны. Использование спиновых или флуоресцентных зондов.
реферат [1,6 M], добавлен 01.08.2009Химический состав и строение биологических мембран. Процессы трансформации и запасания энергии путем фотосинтеза и тканевого дыхания. Транспорт веществ через клеточные мембраны, способность генерировать биоэлектрические потенциалы и проводить возбуждение.
реферат [223,3 K], добавлен 06.02.2015Структура биологических мембран и строение их основы - билипидного слоя. Молекулярная масса мембранных белков, их различие по прочности связывания с мембраной. Динамические свойства биологических мембран и значение организации для биологических систем.
реферат [19,1 K], добавлен 20.12.2009Подготовка студентов-биохимиков в области мембранологии. Совершенствование в методах биотехнологии и медицинской биохимии. Изучение строения, тонкой организации биологических мембран и механизмов функционирования включенных в мембраны компонентов.
учебное пособие [26,7 K], добавлен 19.07.2009Особенности строения клеток прокариот и эукариот. Структура фосфолипидного бислоя. Связи в молекуле фосфолипида, расщепляемые разными классами фосфолипаз. Липидный состав плазматической мембраны. Обзор основных способов переноса веществ через мембраны.
презентация [8,1 M], добавлен 26.03.2015Образование и встраивание мембранных белков. Сигнальные последовательности белков. Белки, необходимые для распознавания сигналов переноса. Синтез и транспорт липидов у прокариот и эукариот. Изменение в липидном составе под действием окружающей среды.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 10.02.2011
