Основные  свойства мембран

1) Замкнутость. Липидные бислои (и  мембраны) всегда самостоятельно замыкаются на себя с образованием полностью отграниченных отсеков. Действительно, лишь в этом случае все гидрофобные части липидов оказываются изолированными от водной фазы.

 По  той же причине при нарушении  целостности мембраны происходит ее «самосшивание».

2) Латеральная подвижность. Несмотря  на замкнутость мембран, их стр-ра при температуре тела не яв-ся жесткой. Компоненты  мембраны могут перемещаться  в пределах своего слоя. В большой  степени это относится к липидам,  но в немалой мере – и к белкам. Так , в результате случайной диффузии молекула крупного белка массой 100 000 Да за 10 с перемещается в мембране в среднем на 2,5 мкм, а молекула липида за то же время – в среднем на 5,5 мкм. По сравнению с размерами самих молекул это очень большие расстояния.

Тем самым мембраны обладают свойствами двумерных жидкостей. По этой причине  модель строения биомембран называется жидкостно – мозаичной (мозаичной- поскольку белки находятся  в мембране не на всем ее протяжении, а в виде отдельных островков).

Кроме латеральной подвижности, некоторые  мембранные белки способны совершать  вращательные движения, меняя свою ориентацию относительно поверхностей мембраны. Так функционируют некоторые  мембранные переносчики: связав в-во с одной стороны, они поворачиваются в мембране на 180 градусов и высвобождают в-во с другой стороны мембраны. Белки с углеводными компонентами к подобному вращению никогда не способны – в силу высокой гидрофильности олигосахаридов.

3) Асимметрия. Наружная и вну.  поверхности мембраны обычно различаются по своему составу:

а) углеводные компоненты, как уже отмечалось, нах-ся с внешней поверхности  плазмолеммы;

б)  многие белки расположены всегда только с наружной, а другие –  только с внут. стороны;

в)  нередко различается и липидный состав слоев бислоя.

Полярность (асимметрия) мембраны возникает на ранних стадиях ее формирования и  затем все время сохраняется. 

Количественные  характеристики.

а) Соотношение по общей массе липидов и белков в мембранах обычно близко к 1:1, но иногда варьирует от 4:1 до 1:4.

б) При этом липиды (в отличие от белков) являются низкомолекулярными веществами: молекулярная масса большинства мембранных липидов – около 740 Да, а для холестерина – почти вдвое ниже. Это практически на два порядка меньше молекулярной массы многих белков.

в) По этой причине кол-во липидных молекул в мембране клетки (в частности, в плазмолемме) на те же два порядка больше, чем количество молекул белков.

г) Естественно, значительно различается и площадь мембранной поверхности, приходящаяся на отдельные молекулы. Для липидной молекулы – это примерно 0,5 нм², а для белковой молекулы – порядка 20 – 30нм².

д) Толщина же мембраны во многом опред-ся продольными размерами липидных молекул. Длина углеводородного «головок» липидов) -5,3 нм. За счет белков толщина мембраны увеличивается до 7 – 10 нм.

е) В случае плазмолеммы с внешней поверхности находится еще гликокаликс, толщина которого может варьировать от 4 до 200 нм, причем не только в зависимости от вида клетки, но и разных участках одной и той же клетки.

Гликокаликс – это совокупность различных белков (часто – гликопротеинов), связанных с плазмолеммой. Некоторые из данных белков являются ферментами.

Отношение белок/липиды в среднем близко к 1:1, но в ряде случаев оно значительно отклоняется от этого уровня. Миелиновые оболочки сильно обогащены липидами, а внутренняя мембрана митохондрий – белками. Внешние мембраны значительно богаче внутренних по содержанию таких компонентов, как углеводы, сфинго и гликолипиды , холестерин. Гликолипиды и холестерин относятся к «стабилизирующим» липидам. Во внутренних мембранах таких липидов почти  нет, т.е. соотношение сильно сдвинуто в сторону «дестабилизирующих» липидов – в основном фосфолипидов. Таким образом, действительно, мембраны очень  сильно отличаются друг от друга по составу. Фосфолипиды и сфинголипиды включают непредельные углеводородные «хвосты». Причем среди них встречаются остатки не только олеиновой кислоты, но и полиненасыщенных кислот – линолевой, арахидоновой и других. В  каждом месте нахождения двойной  связи углеводородная цепь имеет изгиб. А изгибы затрудняют взаимодействие соседних цепей, что делает структуру бислоя менее упорядоченной. Повышается латеральная диффузия компонентов мембраны; увеличивается диффузия соответствующих веществ через мембрану; повышается также способность мембран к разрыву. Гликолипиды и холестерин оказывают на лабильность мембраны два противоположных действия. С одной стороны, они вносят дезорганизацию в расположение углеводородных «хвостов»: ХС – за счет внедрения между последними, а ГЛ – из-за более длинных, чем обычно, остатков нервоновой и цереброновой кислот. Это несколько дестабилизирует мембраны. Но, с другой стороны, те же факторы препятствуют активному перемещению липидов. А это, напротив, оказывает стабилизирующее действие, которое в итоге и перевешивает. По  данной причине ХС и ГЛ отнесены к разряду «стабилизирующих»  мембранных липидов. Поскольку во внутренних мембранах клеток этих липидов (ХС и ХЛ) очень мало, можно  сделать вывод: данные мембраны существенно более лабильны, чем внешние. Т.е. они более текучи, более проницаемы и более склонны к разрыву. Все эти  свойства могут меняться со временем и для одной и той же мембраны. Причиной этому обычно служит изменение ее липидного состава.

Липосомы — самопроизвольно образующиеся в смесях фосфолипидов с водой замкнутые пузырьки. Их стенка состоит из одного или нескольких бислоёв фосфолипидов (слоёв толщиной в две молекулы), в которые могут быть встроены другие вещества (например, белки). Внутри липосом содержится вода или раствор. Диаметр липосом варьирует от 20 нм (моноламеллярные везикулы, стенка состоит из одного бислоя) до 10-50 мкм (мультиламеллярные везикулы, стенка состоит из десятков или сотен бислоёв). Внешне липосомы не всегда выглядят как глобулярные частицы. Иногда они принимают уплощенную дискообразную форму (так называемые дискомы) или имеют вид очень длинных и тонких трубок, которые называют тубулярными липосомами. При включении в липосомы биологически активных веществ – водная фаза включается в полость везикулы, а масляный экстракт в ее оболочку. Одна из причин интереса к липосомам – способность захватывать как водо-, так и жирорастворимые соединения. Это позволяет заключать как гидрофильные, так и липофильные ингредиенты в везикулярные структуры, которые суспензируются в водной среде. Вначале липосомы использовали только как модели биологических мембран. В дальнейшем было установлено, что их можно применять как микроконтейнеры, которые способны доставлять разнообразные лекарственные препараты в различные органы и ткани. В липосомы могут быть заключены ферменты,гормоны, витамины, антибиотики, цитостатики, циклические нуклеотиды и т.д. Свойства липосом и их поведение определяются прежде всего наличием у них замкнутой мембранной оболочки. Несмотря на молекулярную толщину (около 4 нм), липидный бислой отличается исключительной механической прочностью и гибкостью. В жидкокристаллическом состоянии бислоя его компоненты обладают высокой молекулярной подвижностью, так что в целом мембрана ведет себя как достаточно жидкая, текучая фаза. Благодаря этому липосомы сохраняют целостность при различных повреждающих воздействиях, а их мембрана обладает способностью к самозалечиванию возникающих в ней структурных дефектов. Вместе с тем гибкость бислоя и его текучесть придают липосомам высокую пластичность. Так, липосомы меняют размеры и форму в ответ на изменение осмотической концентрации внешнего водного раствора. При сильном осмотическом стрессе целостность бислоя может нарушиться и липосомы могут раздробиться на частицы меньшего размера. Для практического применения липосом исключительно важна их способность включать в себя и удерживать вещества различной природы.

Самосборка липидов. При самосборке липидов образуется след.ассоциаты: 1) Монослои;2) Мицеллы;3) Бислой.

Монослои. 1) При отсутствии ограничений пленка липида на границе раздела вода-воздух стремятся занять мах возможную площадь. В этом состоянии монослои молек.липида свободно перемещ-я вдоль поверхности воды. 2) при постепенном сжатии монослоя,приводящем к плотности упаковки, молекулы начинают взаимодействовать между собой и на поверхности воды обр-ся сплашная пленка липида. 3) При дальнейшем увеличении сжатия молекулы будут стремиться к мах плотной упаковке. При этом они упоряд-т свою ориентацию.

Поведение лиганда в монослое зависит от строения липида. Н-р, введение (=) связи в ЖК увеличивает площадь, приходящегося на молекулу. Монослои, образованные ненасыщенными ЖК, проявляют менее упоряд-е слои.

Мицеллы-простейшие агрегаты, образованные липидными молекулами в объемной фазе растворителя.

В зависимости от природы растворителя липиды могут быть: 1.мицеллы обычного типа( классические)- в воде; 2. «обращенные» мицеллы-(бензол, гексан). Склонность к образованию мицелл зависит от: - строения липида, -соотношения размеров полярной и неполярной частей молекулы.

Мицелообразные липиды:1. Соли ВЖК; 2.Фосфолипиды; 3. Ганглеозиды.

Мицеллы: сферические, элиплоидные, цилиндрические. Размеры мицелл – диаметр от 3 до 6 нм. От 10 до 100 молекул на 1 мицеллу.

Важным свойством липид.мицелл является их способность солюбилизировать, т.е. растворять в себе те вещества, которых в отсутствие мицелл в среде не растворимы. Так, обращенные мицеллы могут включать значительное количество воды во внут.объем.

Образование фосфолипидного бислоя.

При избытке фосфолипидов в водной сфере происходит самопроизводное образование бислоя, в котором углеводородные хвосты направлены вовнутрь, а гидрофобные головки наружу.

Способность образовать бислой определяется состоянием полярных и неполярных частей.

Бислой –представляет собой термодинамически наиболее выгодную форму ассоциации тех липидов, молекулы которых не способны образовать в воде не большие агрегаты мицелл-го типа. Липидный бислой образуется за счет: 1. Гидрофильных взаимодействий. 2. Ван-дер-Ваальсовых сил.

Мультиламелярный бислой. При низком содержании воды (в случае ФХ до 40% воды по массе).

Важное свойство бислоя- кооперативность его структуры.

Целостность бислоя обеспечивается множеством усиливающих друг друга нековалентных взаимодействий.

ФЛ и ГЛ в воде образуют кластеры, в которых контакт углеводородных цепей способствует также Ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Это ведет к 3 последствиям: 1. Липидный бислой имеет тенденцию к увеличению поверхностей. 2.липидный бислой стремятся замкнуться на себя. 3. Липидные слои способны самозапечатываться (самосшиваться).

13. Основные транспортные системы биологических мембран (на примерах).

Мембранные поры – это щели между молекулами липидов, которые обеспечивают простую диффузию в мембране. Поры различают вещества только по размеру и пропускают все молекулы меньше определённой величины, по градиенту концентрации, т.е. служат фильтрами. Скорость простой диффузии линейно зависит от градиента концентрации вещества. Осуществляется неизбирательно и характеризуется малой скоростью. Примеры: транспорт кислорода их легких в кровь и обратно, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков.

Ионные каналы – это мембранные молекулярные структуры, образуемые траснсмембранными белками, пронизывающими клетки мембраны поперек в виде нескольких петель и образующими в мембране сквозной канал. Пути с «воротами», которые могут находиться в открытом или закрытом состоянии. Участвуют в облегченной диффузии. Облег.диффузией переносятся сахара, аминокислоты, нуклеотиды и др.полярные мол.

Примеры ИК: K⁺, Na⁺,Н⁺,Са²⁺,С^-,Н₂О каналы.

Катионные каналы. Н-р н-ацетилхолиновый рецептор – олигомерный белок – кислый гликопротеин. Катионные каналы в невозбужденном состоянии мембраны закрыты. После связывания с рецептором 2-х молекул ацетилхолина изменяется конформация белковых молекул и Ca²⁺ диссоциирует с субъединицы. Вследствие этого канал открывается и Na⁺ поступает внутрь клетки, а К⁺- наружу по градиенту концентрации.

Каналы обычно участвуют в переносе определённых ионов.

Свойства ИК. 1. Селективность; 2. Управляемая проницаемость. Открытие или закрытие каналов регулируется либо изменением концентрации специфических регуляторов, таких как медиаторы, гормоны, циклические нуклеотиды, NO, G-белки, либо изменением трансмембранного электрохимического потенциала. 3. Инактивация. 4. Блокировка – способность фиксировать свое какое-то состояние. 5. Пластичность – ИК могут изменять свои свойства и характеристики.

Классификация ИК. 1. По избирательности: селективные и малоселективные. 2. По характеру пропускаемых ионов: K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Cl^- etc. 3. По скорости инактивации: быстроинактивируемые и медленно ин-е. 4. По мех.открывания: потенциал-зависимые и хемозависимые.

Примеры ИК: K⁺-каналы, Na⁺-канал и т.д.


15. Разновидности пассивного транспорта. Характеристика, с примерами.

Роль мембран в транспортной функции заключается в регуляции и сопряжении потоков энергии, вызывающих и сопровождающих процессы транспорта. Если транспорт сопровождается уменьшением свободной энергии системы, он протекает самопроизвольно и поэтому носит название пассивного. Пассивный транспорт идет без затрата энергии по градиенту конц-ции.

Диффузия через липидный бислой - это простая диффузия, зависит от конц-ции в-в по обе стороны мембраны и температуры. Так переходят через мембрану в-ва, кот-е растворяются в липидах (О2, СО2, азот, алкоголь). Кислород проходит так легко, будто мембраны и не сущ-ет. Ч\з мембрану легко проходит и вода благодаря небольшому размеру ее молекул.

Простая диффузия происходит не только через липидный бислой, но и ч\з белковые каналы и «ворота» в них. Эти каналы высокоселективные, транспорт ч\з них зависит от вида ионов или молекул, их диаметра, формы, эл. заряда.

Св-ва простой диффузии:

1. диффузия происходит по электрохимическому градиенту, т. е. из области с более высокой конц-цией в область с более низкой;

2. скорость диффузии линейно зависит от градиента конц-ции в-ва;

3. на диффузию не расходуется энергия;

4. осущ-ся неизбирательно и отличается низкой скоростью;

5. гидрофильные в-ва передвигаются с меньшей скоростью, чем гидрофобные;

6. происходит без участия мемб. белка;

7. наиболее легко и характерна для в-в растворимых в воде.

Путем простой диффузии ч\з мембрану проникают газы, неполярные молекулы. Н-р кислород из легких транспортируется в кровь и из крови в ткани; всасывание продуктов пищеварения из кишечника; поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков.

Облегченная диффузия происходит при участии специфического белка-переносчика, что способствует диффузии. Белки - переносчики (транслоказы) имеют центр связывания, комплементарный переносимому в-ву. Для них характерна высокая избирательность. От простой диффузии отличается тем, что скорость ее ув-ся только до определенной степени, а затем остается постоянной. Таким образом транспортируются глюкоза и большинство а\т.

На скорость диффузии влияют конц-ция в-ва по обе стороны мембраны, - ее проницаемость и ряд других факторов. А проницаемость зависит от толщины мембраны, кол-ва каналов на ед-цу площади, молекулярной массы в-ва, температуры.

Сущ-ют некоторые системы переносчиков, кот-е способны транспортировать более одного в-ва. Процесс наз-ся симпортом, если в-ва перемещаются в одном и том же направлении, и антипортом, если направления перемещения в-в противоположны.

Примером облегченной диффузии яв-ся действие с-мы транспорта глюкозы ч\з мембраны эритроцитов и мышечных кл-к. Другой пример - антипорт бикарбоната и ионов гидроксила в плазматической мембране эритроцитов.

16.Интегрины: особенности строения, функции.

Интегрины — это трансмембранные гетеродимерные клеточные рецепторы, взаимодействующие с внеклеточным матриксом и передающие различные межклеточные сигналы. От них зависит форма клетки, её подвижность, они участвуют в регулировке клеточного цикла. Структурно интегриновые рецепторы представляют собой гетеродимеры — каждый состоит из двух нековолентно связанных полипептидных цепей (β,α). Обе цепи пронизывают клеточную мембрану. Молекулярные массы альфа и бета цепей интегрина - составляют 140000 и 100000 соответственно (альфа цепь впоследствие расщепляется на две цепи, которые остаются связанными дисульфидной связью). Альфа-субъединицы определяют специфичность интегрина к лиганду, а бета-субъединицы связаны с компонентами цитоскелета и обеспечивают передачу сигнала в клетке. Интегрины постоянно присутствуют в клетке, но для связывания лиганда необходима их активация. α -цепь содержит 3 или 4 тандемных повтора мотива связывающего двухвалентные ионы и нуждаются в Mg и Ca для функционирования. Альфа цепи при связывании с бета цепью дают функциональный рецептор . По размеру α-субъединица преобладает, а функциональную нагрузку несет β-цепь. Бета цепь имеет функциональное значение и интегрины классифицируются по ним. Так интегрины с β1 или β3 цепью преимущественно вовлечены во взаимодействие клетки - ЕСМ. Интегрины с β2 цепью преимущественно вовлечены во взаимодействие лейкоцитов между собой. Тип α –цепи не так важен для функционирования активности.Известно около 10 типов α-субъединиц и около 15 типов β- субъединиц. По размеру β-цепи значительно меньше чем α –цепи. В обоих типов субъединиц выделяют 3 домена:внеклеточный,мембранный,внутриклеточный. Внутриклеточные домены участвуют в фиксаций цитоскелета(актиновые филаменты)-структурная функция.Связь осущес-ся с помощью винкулина,актина,талина. Внеклеточные домены ответственны за узнавание спец-х лигандов и адгезию с ними. В лигандах характерно наличие последовательности Арг-Гли-Асп,узнаваемая интегринами 2.Эта последовательность присутствует АО всех адгезивных белках крови, белках α –крови тромбоцитов.Большинство интегрированных рецепторов может связываться с несколькими лигандами. Например: Интегрин α2 и β1 связ-ся с ламинином и коллагенами I и IV типов; Интегрин α3 и β1-с фибронектином,ламенином и коллагеном I; Интегрин α5 и β1 только с фибронектином; Интегрин α6 и β1-с ламинином. Имеется 3 семейства интегринов ; первое семейство включает рецептор фибронектина (фибробласты) и еще 5 других белков; второе- включает рецептор тромбоцитов IIбета/IIIальфа, связывающий некоторые компоненты матрикса, в том числе и фибриноген ;третье семейство - это интегрины на поверхности лейкоцитов ( LFA-1 , Mac-1 ).

Простая диффузия – это перенос небольших нейтральных молекул по градиенту конц-ции без затрат энергии и переносчиков, зависит от конц-ции в-в по обе стороны мембраны и температуры. Так переходят ч\з мембрану в-ва, кот-е растворяются в липидах (О2, СО2, азот, алкоголь). Кислород проходит так легко, будто мембраны и не сущ-ет. Ч\з мембрану легко проходит и вода благодаря небольшому размеру ее молекул.

Простая диффузия происходит не только ч\з липидный бислой, но и ч\з белковые каналы и «ворота» в них. Эти каналы высокоселективные, транспорт ч\з них зависит от вида ионов или молекул, их диаметра, формы, эл. заряда.

Св-ва простой диффузии:

1. диффузия происходит по электрохимическому градиенту, т. е. из области с более высокой конц-цией в область с более низкой;

2. скорость диффузии линейно зависит от градиента конц-ции в-ва;

3. на диффузию не расходуется энергия;

4. осущ-ся неизбирательно и отличается низкой скоростью;

5. гидрофильные в-ва передвигаются с меньшей скоростью, чем гидрофобные;

6. происходит без участия мемб. белка;

7. наиболее легко и характерна для в-в растворимых в воде.

Путем простой диффузии через мембрану проникают газы, неполярные молекулы. Н-р кислород из легких транспортируется в кровь и из крови в ткани; всасывание продуктов пищеварения из кишечника; поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков.

Перенос некоторых лигандов (ионов, глюкозы, аминокислот) через мембраны происходит против градиента концентрации и сопряжён с затратой энергии (активный транспорт).

Функции системы активного транспорта (АТ): 1. Поддержание оптимальной и постоянной концентрации неорганических ионов, важных для активирования внутриклеточных энзимологических рецепторов и других процессов. 2. Поддержание стабильной концентрации метаболитов независимо от колебаний веществ во внешней среде. 3. Извлечение из окр.кл.пит.сред, необх.в-в даже при их низкой концентрации.

4. регуляции метаболизма.

Типы АТ. 1. Первичный АТ происходит за счет энергии, образующейся непосредственно при гидролизе АТФ или других энергетических фосфатов. 2. Вторичный АТ происходит за счет энергии, создаваемой при помощи первичного АТ из-за неодинаковой концентрации ионов по разные стороны мембраны.