Экзамен. Мембранология

1. Функциональная роль мембран в клетке.

2. Молекулярная организация мембран. Структура и состав биологических мембран.

3. Углеводные компоненты мембран. Особенности строения, представители. Ассоциация белков в мембране с углеводными группировками.

4. Мембранные белки: классификация, характеристика и структурные принципы.

5. Текучесть мембран. Фазовые переходы. Физиологическое значение текучести мембран.

6. Холестерин, роль в биомембранах.

7. Многообразие мембранных липидов и их функции. Особенности липидного состава мембран у разных организмов.

8. Анкирин. Особенности строения, биологическая роль.

9. Основные свойства биологических мембран. Количественные характеристики мембран.

10.Влияние липидов на свойства мембран. Стабилизирующие и дестабилизирующие липиды.

11. Липосомы. Особенности строения и свойства.

12. Искусственные мембраны. Типы липидных структур. Липидные бислои. Свойства липидных бислоев.

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

14. Каналы и поры в плазматических мембранах, их характеристика и роль в транспорте веществ через мембрану клетки. ( Привести примеры)

15. Разновидности пассивного транспорта. Характеристика, с примерами.

16. Интегрины: особенности строения, функции.

17. Простая диффузия. Основные характеристики и свойства. Приведите примеры.

18. Селектины: особенности строения, функция.

19. Активный мембранный транспорт веществ.

20. Межклеточные контакты, роль мембран в межклеточных контактах.

21. Пиноцитоз. Разновидности, биологическое значение

22. Эндоцитоз. Разновидности эндоцитоза. Биологическое значение. Трансформация эндоцитозного материала.

23. Облегченная диффузия. Транслоказы, механизм действия. Привести примеры.

24. Экзоцитоз. Разновидности экзоцитоза, механизм. Биологическое значение.

25. Первичный активный транспорт веществ. Роль первично-активного транспорта. Примеры.

26. Nа,К-АТФаза, Структура свойства, функция, механизм действия в составе биологических мембран.

27. Анионные каналы. Особенности строения, функции. Участие анионного канала эритроцитов в транспорте углекислого газа.

28. Вторичный активный транспорт веществ. Роль вторичного-активного транспорта. Примеры.

29. Антибиотики как переносчики ионов. Привести примеры.

30. Ионные каналы. Особенности строения, свойства, функциональное состояние ионных каналов.

31. Приведите рисунок, иллюстрирующий возможные типы модификаций бислоя, вызванные белком.

32. Приведите схему классификации мембранных белков. Какие принципы лежат в основе такой классификации?

33. Приведите классификацию ионных каналов. Какие принципы лежат в основе классификации ионных каналов?

34. Дайте характеристику Na-канала, а также опишите работу такого канала. От чего зависит работа Na-канала.

35. Составьте схему, классифицирующую транспортные процессы.

36. Нарисуйте схему, отражающую механизм действия Na,K-АТФазы.

37. Нарисуйте схему, согласно которой осуществляется транспорт аминокислот в клетку.

38. Нарисуйте схему строения н-ацетилхолинового рецептора.

39. Перечислите основные количественные характеристики мембран.

40. Нарисуйте схему, отражающую понятия антипорт, унипорт, симпорт. Дайте определения этим понятиям и приведите примеры.

41. Изобразите схему фагоцитоза.

42. Приведите схему пиноцитоза. Охарактеризуйте это явление.

43. Приведите схему, которая иллюстрирует понятие монотопические, битопические и политопические белки.

44. Приведите классификацию липосом.

45. Опишите механизм действия катионных каналов.

46. Опишите участие грамицидина в транспорте веществ.

47. Перечислите разновидности белок-липидных взаимодействий в мембране. (Основные типы контактов).

48. Опишите участие валиномицина в транспорте веществ через мембрану.

49. Перечислите функции мембранных белков. Приведите примеры на каждую функцию.

50. Перечислите особенности локализации белков в мембране.

51. Охарактеризуйте особенности строения гликофорина.

52. Приведите примеры стабилизирующих и дестабилизирующих липидов. Объясните принцип такого разделения липидов.

53. Нарисуйте, как выглядит мицелла обращенного типа. Охарактеризуйте данный тип мицелл.

54. Нарисуйте, как выглядит мицелла классического типа. Охарактеризуйте данный тип мицелл.

55. Перечислите динамические свойства липидов (подвижность мембранных липидов).

56. Перечислите свойства простой диффузии. Какие вещества транспортируются путем простой диффузии?

57. Перечислите, каковы возможные механизмы действия транслоказ?

58. Приведите классификацию межклеточных контактов.

59. Охарактеризуйте строение десмосом. Перечислите основные типы белков, входящие в состав десмосом.

60. Охарактеризуйте строение нексуса.

1.Функциональная роль мембран в клетке.

Биомембраны и их составляющие вып-ют следующие ф-ции:

Ограничение и обособление кл-к и органелл. Обособление кл-к от межклеточной среды обеспечивается плазматической мембраной, защищающей клетки от механического и хим-го воздействия. Мембраны формируют также специализированные компартменты внутри клетки. Такие внутриклеточные мембраны обр-ют многочисленные морфологически различимые стр-ры (органеллы) – митохондрии, ЭР и т.д. Плазматическая мембрана обеспечивает также сохранение разности концентраций метаболитов и неорганических ионов между внутриклеточной и внешней средой. Плазматическая мембрана обладает селективной проницаемостью и яв-ся барьером, с помощью кот-го поддерживается различный состав вне- и внутриклеточной среды.

Энергопреобразующая ф-ция осущ-ся специальными белками, кот-е встроены в особого типа мембрану, называемую энергопреобразующей. Такая мембрана непроницаема для подавляющего большинства в-в, находящихся в растворах по обе ее стороны. Любая мембрана, выполняющая энергетическую ф-цию способна к превращению хим-й энергии субстратов или АТФ, либо энергии света в электрическую энергию.

Контролируемый транспорт – метаболитов и ионов определяет внутреннюю среду, что существенно для гомеостаза, т.е. поддержания постоянной конц-ции метаболитов и неорганических ионов, и других физиологических параметров. Регулируемый и избирательный транспорт метаболитов и неорганических ионов через поры и посредством переносчиков становится возможным благодаря обособлению кл-к и органелл с помощью мембранных систем. Небольшие нейтральные молекулы могут проникать ч\з мембраны за счет диффузии.

Восприятие клеточных сигналов и их передача внутрь клетки, а также инициация сигналов. На мембране расположены клеточные рецепторы, распознающие и связывающие специфические лиганды, проводящие внутрь клетки сигнал. К рецепторным молекулам относятся антитела, рецепторы гормонов, нейромедиаторов, опиатов, токсинов, лектинов, вирусов. Большинство рецепторов представляют собой гликопротеины или ганглиозиды (рецепторы холерного, столбнячного, дифтерийного токсинов и токсина ботулизма). Специфичность рецепторов по отношению к лигандам обеспечивается углеводной частью молекулы. Связывание лиганда рецептором приводит в одних случаях к изменению активности аденилатциклазы и количества цАМФ, в других – к усиленному поступлению в клетку ионов (рецептор действует как ионофор), что приводит к генерации электрических сигналов.

Ферментативный катализ – в мембранах на границе между липидной и водной фазами локализованы ферменты. Именно здесь происходят реакции с неполярными субстратами. С мембранами связаны многие клеточные ферменты. Некоторые из них катализируют трансмембранные реакции, когда реагенты находятся по разные стороны мембраны или когда каталитический акт сопровождается транспортом молекул. Другие ферменты образуют своеобразные комплексы, которые образуют своеобразные комплексы, которые осуществляют цепь последовательных превращений, причем благодаря тому, что эти ферменты раполагаются в плоскости мембраны, повышается эффективность всего процесса. Имеются ферменты, которые действуя на мембраносвязанные субстраты, участвуют тем самым в биосинтезе мембран. Примерами служат биосинтез липидов и метаболизм неполярных ксенобиотиков. В мембранах локализованы наиболее важные реакции энергетического обмена, такие, как окислительное фосфорилирование и фотосинтез.

Контактное взаимодействие (межклеточное узнавание) с межклеточным матриксом и взаимодействие с другими клетками при слиянии клеток и образовании тканей. Мембраны играют большую роль во взаимодействиях клеток друг с другом, имеют прямое отношение к процессам роста и деления клеток. В зародышевых, эмбриональных тканях, особенно на ранних стадиях развития, клетки остаются в связи друг с другом за счет способности их поверхностей слипаться. Это свойство адгезии (слипание поверхностей двух разнородных твердых или жидких тел) клеток может определяться свойствами их поверхности, которые специфически взаимодействую друг с другом. Механизм этих связей обеспечивается взаимодействием между гликопротеидами ПМ. При таком межклеточном взаимодействии клеток между ПМ всегда остается щель шириной около 20 нм, заполненная гликокаликсом. За агрегацию однородных клеток отвечают трансмембранные гликопротеиды. Непосредственно за соединение – адгезию, клеток отвечают молекулы так называемых САМ – белков. Некоторые из них связывают клетки друг с другом за счет межмолекулярных взаимодействий, другие образуют специальные межклеточные соединения, или контакты.

Мембраны представляют собой сложные структуры толщиной от 6 до 10 нм (в среднем 7 нм), двумерные жидкокристаллические растворы глобулярных белков в липидах. Основными компонентами мембран являются белки, липиды и углеводы, на долю которых может приходиться от 0,5 до 10% массы мембран (при этом они всегда входят в состав гликолипидов или гликопротеинов). В мембране также встречаются и другие компоненты: неорганические ионы (соли), в некоторых мембранах обнаружены следы РНК, содержание которых может доходить до 0,1%. В мембранах обнаружено довольно большое количество воды (связанной- иммобилизованной), около 30% к массе мембраны. Соотношение между белками и липидами в мембране значительно варьирует – от 20% (по массе сухого вещества) белка в миелине до 80% в митохондриях. На долю белков может приходиться от 20 до 80% от общей массы белков и липидов. Различное соотношение белок : липид в мембране может колебаться от 1:4 ( белок : липид) до 3:1 (белок : липид) и это неудивительно, если учесть, какие разнообразные функции выполняют мембраны. Структурную основу мембран составляют:

липиды, среди которых преобладают фосфолипиды (например, лецитин), а в мембранах пластид - гликолипиды;

белки, которые в мембранах выполняют определенные функции. Они являются:

- транспортными белками;

- стерины (у животных в основном холестерин);

- гликопротеиды;

- некоторые неорганические соли.

Основная структура всех мембран представляет собой два параллельных слоя липидов (бимолекулярный слой). Мембранные липиды - амфипатические молекулы, имеющие:

гидрофобную часть (углеводородные остатки жирных кислот и сфингозина);

гидрофильную часть (фосфат, холин, комамин, сахар и т. п.).

Такие молекулы образуют на водной поверхности мономолекулярный слой. В водном окружении и в клетке образуются бимолекулярные слои: гидрофобные части различных молекул повернуты дальше от водного окружения, т. е. друг к другу, и удерживаются вместе сильными гидрофобными взаимодействиями и слабыми силами Ван-дер-Ваальса.

Таким образом, мембраны на обеих наружных поверхностях гидрофильны, а внутри - гидрофобны.

Поскольку гидрофильные части молекул поглощают электроны, они видны в электронном микроскопе как два темных слоя.

Мембраны являются ассиметричными плоскими замкнутыми структурами, обладающими внутренней и внешней поверхностями. Эти структуры термодинамически стабильны (хотя компоненты мембран удерживаются нековалентыми связями и, следовательно, они обладают лишь относительной подвижностью, т.е. могут диффундировать в пределах липидного бислоя) и метаболически активны. В мембранах заякорены особые белковые молекулы, которые осуществляют функции, специфические для определенных органелл, клеток или организмов. Плотность мембран прямо пропорциональна содержанию в них белка. Чем выше содержание белка в мембране, тем больше ее плотность. При изучении белкового состава мембран необходимо учитывать метод выделения мембраны. Некоторые белки непрочно связаны с мембраной и легко удаляются при промывании ее растворами с высокой или низкой ионной силой, щелочными растворами. Бывают случаи, когда трудно сказать, является ли белок мембранным или цитоплазматическим, случайно связавшимся с мембраной в ходе ее выделения.

Углеводы в составе мембран не представлены самостоятельными отдельными соединениями, а обнаруживаются лишь в соединении с белками (гликопротеины и протеогликаны) и липидами (гликолипиды). В мембранах гликозилировано около 10% всех белков и от 5 до 26% (в зависимости от объекта) липидов.

Углеводные цепи белков колеблются по составу от двухзвенных структур до разветвленных 18-членных полисахаридов называемых гликанами, весьма разнообразного состава. В них включаются глюкоза, галактоза, нейраминовая кислота, фукоза и манноза. В составе соединительной ткани и межклеточного вещества обнаруживаются протеогликаны: углеводные компоненты в них сульфатированы. Их типичными представителями являются хондроитинсульфат, дерматансульфат и гепарансульфат. Углеводный компонент гликолипидов также сульфатирован. В этом случае олигосахара соединены с молекулами церамида, а функции, которые они осуществляют в клетке, аналогичны таковым у гликопротеинов и протеогликанов. Все три класса углеводсодержащих соединений называют глюкоконъюгатами.

В соответствии с типом связей присоединяемые углеводные компоненты делят на О-гликаны и Ν-гликаны. В случае гликопротеинов в образование О-гликозидной связи вовлекаются обычно серин, треонин, при образовании Ν-гликозидной связи – аспарагин; при образовании гликолипидов – церамид.

Углеводные компоненты мембранных структур в подавляющем большинстве открываются во внеклеточную среду. Их функции связаны с контролем за межклеточными взаимодействиями, поддержанием иммунного статуса клетки, обеспечением стабильности белковых молекул в мембране.

Одним из наиболее интересных представителей семейства гликопротеидов является родопсин – компонент палочек сетчатки; этот белок, выделенный из сетчатки глаза быка, содержит около 4% углеводов, образующих олигосахаридную цепочку, которая связана с полипептидом с М.В.= 28000.

Во многих случаях гликопротеиды выполняют роль рецепторов (для гормонов антигенов, фитогемагглютининов), расположенных на поверхности клеток.

Глкиопротеиды являются основными компонентами вирусных оболочек ( на их долю приходится до 40% суммарного вирусного белка) и имеют близкие молекулярные веса.

В качестве наиболее распространенного примера гликопротеинов, содержащих Ν-гликаны, обычно приводят иммуноглобулины крови. Однако они, как и содержащие О-гликаны муцины слюны и слизи, - не мембранные гликопротеины, проявляющие свои функции вне контакта с мембраной. Типичным примером гликоконъюгатов, выполняющих свои функции в составе мембран, являются антигенные детерминанты групп крови. Они представлены как гликолипидами, так и гликопротеинами, в числе которых – известный гликофорин.

Важна роль углеводного компонента белковых молекул и в формировании сложных молекул со специфическими функциями – процессинге. Многие белковые молекулы, особенно биологически активные вещества (нейропептиды), синтезируются в виде крупных неактивных предшественников, которые затем расщепляются специфическими протеазами с формированием «зрелых» биологически активных продуктов. Деятельность протеаз контролируется уровнем гликозилирования белков. Так, многие белки, синтезируемые вначале как гликопротеины, в дальнейшем в результате процессинга теряют олигосахаридную часть.

Еще одной функцией клеток, за которую ответственны гликопротеины, является –адгезивность – способность клеток прочно прикрепляться к поверхности субстрата или друг у другу. За это свойство отвечают лектины – белки, обладающие повышенной способностью связывать углеводы. Первым лектином, выделенным для анализа, был рицин касторовых бобов, полученный П.Эрлихом (1900). Позже Самнер (1919) получил в кристаллическом состоянии из канавалии мечевидной известный ныне конканавалин А. Этот лектин применяют для изучения углеводных компонентов клеточных мембран. Лектины в растениях, по-видимому, выполняют функцию, аналогичную роли иммунокомпетентной системы животных: фиксируют патогенные микробы и способствуют их разрушению. Лектины азотфиксирующих растений обеспечивают контакт корней с азотфиксирующими микроорганизмами. Важная роль в регуляции межклеточных взаимодействий клеток животных принадлежит фибронектину.

4. Мембранные белки: классификация, характеристика и структурные принципы.

Мембраны содержат от 20 до 80% (по весу) белка. Именно белки ответственны за функциональную акт-ть мембран. К ним относятся разнообразные ферм., транспортные белки, рецепторы, каналы, поры и т.д., кот-е обеспечивают уникальность ф-ций каждой мембраны.

В настоящее время идентифицировано более 30 мембраных белков. Их молекулярный вес колеблется в пределах от 10000 до 240000. Один из наиболее хорошо изученных белков эритроцитов – гликофорин.

Мемб. белки также как и липиды постоянно обновляются. Скорости их обновления варьируют в широком диапазоне. Время жизни мемб. белков составляет от 2-х до 5 дней.

Многие мемб. белки яв-ся трансмембранными и пронизывают бислои. Некоторые белки связаны с мембраной лишь за счет их вз-вия с др. белками.

Мемб. белки обычно связ-ся с мембраной с помощью нековалентных вз-вий – гидрофобных или электростатических сил. Им-ся мемб. белки, кот-е связаны с липидами ковалентно (такие примеры немногочисленны).

1) Монотипические. Связывание с мембраной за счёт амфипатической α-спирали, параллельной плоскости мембраны; гидрофобной петли; ковалентно соединённого жирнокислотного остатка; электростатического взаимодействия (прямого или кальций-опосредованного).

2) Битопические. Связывание с мембраной за счёт единичной трансмембранной α-спирали.

3) Политопические. Связывание с мембраной за счёт единичной трансмембранной

α-спирали; множественных трансмембранных α-спиралей; β-складчатой структуры.

Монотопические белки относятся к периферическим белкам, а би- и политопические – к интегральным.

Анкирин (от греческого слова ankyr, что означает "якорь") - периферический мембранный белок, связывающий примембранный актин-спектриновый цитоскелет с интегральными мембранными белками. Впервые он был обнаружен в эритроцитах в рез-те поисков участка связывания спектрина с мембраной. Анкирин - белок цитоскелета эритроцита, соединяющий трансмембранный белок полосы 3 со спектрином. Недостаточность анкирина наследуется аутосомно-рецессивно или аутосомно-доминантно; аутосомно-рецессивное наследование встречается реже, но анемия при нем тяжелее. Анкирин - это фосфопротеин с молекулярной массой 210 кД, который связывается как с головным участком β-субъединицы спектрина , так и с цитоплазматическим доменом белка полосы 3 . Фосфорилирование анкирина уменьшает его сродство к спектрину. Молекула анкирина состоит из 3-х доменов: N-концевого или мембраносвязывающего , промежуточного или спектринсвязывающего и С-концевого регуляторного. Анкирин содержит ковалентно связанную жирную к-ту, ф-ция кот-й пока не установлена (возможно, она необходима для взаимодействия анкирина с мембраной). Функциональная акт-ть анкирина регулируется С-концевым регуляторным доменом и за счет фосфорилирования белка протеинкиназами. in vitro казеинкиназа I фосфорилирует в молекуле анкирина от 1 до 7 а\тных остатков. Нефосфорилированный анкирин связывается преимущественно с тетрамерами (или большими олигомерами) спектрина, а после фосфорилирования - как с тетрамерами, так и с димерами этого белка. Вследствие фосфорилирования ухудшается способность анкирина связывать белок полосы 3. Участки фосфорилирования анкирина казеинкиназой I пока не идентифицированы. Анкирин может фосфорилироваться также протеинкиназой А, но функциональное значение такого фосфорилирования также пока не установлено.