Структура, функции и биофизические свойства биологических мембран. Транспорт веществ в мембранах

1.

СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ И
БИОФИЗИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН.
ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В
МЕМБРАНАХ

2. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

-
Все живые организмы (кроме вирусов) имеют клеточное
строение. Термин «клетка» впервые ввёл в 1665 году
Робен Гук. В настоящее время общепризнано, что клетка основная единица строения и развития всех живых
организмов, наименьшая единица живого;
-
Происхождение клетки учёные связывают с появлением
мембран. Прежде всего, это связано с их структурной и
барьерной функциями. Плазматические мембраны –
ограничивают содержимое клетки от окружающей среды,
внутриклеточные мембраны – формируют различные
органоиды.
-
Кроме структурной и барьерной функций, мембраны
имеют множество других функций. В широком смысле,
через мембраны происходит взаимодействие клетки с
окружающей средой. Поэтому мембраны имеют очень
большое
функциональное
значение
в
жизнедеятельности клетки.
-
Свойства мембран могут меняться в физиологических
условиях,
при
патологии,
при
воздействии
фармацевтическими препаратами и т.д. Существует
специальный термин «мембранная патология», которая
приводит к нарушениям жизнедеятельности всей клетки.
Но если такие нарушения не связаны с патологией
мембран, все воздействия на клетку осуществляются через
мембраны и зависят от их свойств.
ОДНА ИЗ НАИБОЛЕЕ АКТУАЛЬНЫХ ТЕМ
ДЛЯ ВРАЧЕЙ И ФАРМАЦЕВТОВ!

3. ПОНЯТИЕ МЕМБРАНЫ

Термин мембраны как окружающей клетку невидимой плёнки, был впервые
использован, ботаниками фон Молем и независимо К. фон Негели в 1855 г.
Современное определение : мембраны – основная структура
клетки, представляющая собой тонкую плёнку (7-10 нм),
состоящую из органических молекул.
наружные
Мембраны
(покрывает клетку.
внутренние
(покрывают органоиды)
Аппарат Гольджи
В общем случае плазматическая
мембрана, или плазмолемма)
Эндоплазматический ретикулум
Митохондрии
х54000

4. ФУНКЦИИ МЕМБРАНЫ

1. Структурная (ограничивает клетку и органоиды, разделяет клетку на
компартменты )
2. Барьерная (обладает избирательной проницаемостью к различным
веществам).
3. Защитная (сохраняет клетку целой при умеренных механических нагрузках и
нарушениях осмотического равновесия между клеткой и окружающей средой).
4. Транспортная (через мембрану в клетку и из неё транспортируются вещества.
Для этого в мембране есть специальные транспортные системы – переносчики,
каналы, насосы).
5. Информационная (в мембране находятся рецепторы к гормонам и
медиаторам, которые служат для регуляции внутриклеточных процессов,
гликопротеины служат антигенами, узнающими другие клетки и чужеродные
белки).
6. Специфические функции (у мышечных клеток через мембрану опосредуется
сокращение, в нервных клетках благодаря свойствам мембраны передаётся
информация в виде нервных импульсов и т.д.)
7. И др. – ферментативная, функция адгезии и т.д.

5.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЕМБРАНЫ
ЛИПИДЫ
От 4:1 до 1:4
1.глицерофосфолипиды
2.сфингофосфолипиды
БЕЛКИ
УГЛЕВОДЫ
В комплексе с белками
(гликопротеины или
протеогликаны) и липидами
(гликолипиды) СНАРУЖИ!
3.стероиды
Обеспечивают, в основном,
структурную, барьерную
функции, а также
«поддерживают» белки в
необходимой для
функционирования
конформации
Обеспечивают химическую
полярность мембраны,
участвуют в информационной
функции мембраны
Определяют функциональную активность мембраны

6.

ЛИПИДЫ МЕМБРАНЫ
Основные (по количеству) - глицерофосфолипиды
Глицерофосфолипид –
сложный эфир трёхатомного
Гидрофильная
спирта глицерола, два
головка
гидроксильных остатка которого
этерифицированы остатками
карбоновых кислот, а третий –
остатком фосфорной кислоты, к Гидрофобные
которому присоединён
хвостики
аминоспирт.
Амфифильная молекула имеет гидрофобные и
гидрофильные части. Амфифильность липидов и
белков играет ключевую роль в формировании
структуры мембраны.
Монослой липидов
Бислой липидов
Сфингофосфолипиды имеют
аналогичное строение, но основа
– спирт сфингозин, часть
которого образует 1 хвостик, 2ой
–карбоновая кислота.

7. Гидрофобные взаимодействия – термодинамически выгодное сближение гидрофобных частиц в водной среде. (Имеют энтропийную природу).

б – снижение энтропии в случае а приводит
а - молекулы воды пытаются
установить водородные связи с
гидрофобными частицами, растекаясь
по ним и уплотняясь между собой.
Увеличивается порядок в системе,
энтропия уменьшается.
а
к самопроизвольному отталкиванию
молекул воды гидрофобными частицами, их
сближению между собой, т.е. к
гидрофобным взаимодействиям между
ними. При этом увеличивается энтропия
системы.
б

8.

ФУНКЦИИ МЕМБРАННЫХ БЕЛКОВ
ТРАНСПОРТНАЯ
ФУНКЦИЯ
a) пассивный
транспорт;
b) активный
транспорт
ФЕРМЕНТАТИВНАЯ
ФУНКЦИЯ
обеспечение
биохимических
реакций
СИГНАЛЬНАЯ
ФУНКЦИЯ
обмен информацией
й
между клетками
ФУНКЦИЯ АДГЕЗИИ
создание
многоклеточных
организмов
АНТИГЕННАЯ
ФУНКЦИЯ
идентификация
клеток для
обеспечения
иммунитета
СТРУКТУРНОМЕХАНИЧЕСКАЯ
ФУНКЦИЯ
соединение
цитоскелета с
внеклеточным
матриксом

9.

БЕЛКИ –
высокомолекулярные химические соединения полимеры, мономерами которых служат аминокислоты.
аминогруппа
Аминокислота – карбоновая кислота, к атому
углерода которой в альфа положении присоединена
аминогруппа. К этому же атому присоединена
остальная часть молекулы (радикал). В зависимости
от его структуры – аминокислоты бывают
гидрофильными и гидрофобными. А молекула
белка, состоящая из множества аминокислот –
амфифильная.
Одним из свойств аминокислот является их
оптическая активность – они способны вращать
плоскость поляризации поляризованного света
вправо или влево. В белки живых организмов входят,
в основном, левовращающие аминокислоты.
Последовательность аминокислот в белковой
молекуле определяет первичную структуру белка.
В ней заложены все его свойства! Она является
устойчивой, т.к. фиксирована сильными ковалентными
(пептидными) связями.
На рис. показано формирование связи между карбоксильной
группой одной аминокислоты и аминогруппой другой.
карбоксильная группа
R
L-изомер
R
D-изомер

10. Белки могут образовывать на основе первичной структуры:

- Вторичную структуру. Она
фиксирована водородными
(слабыми) связями и
существует в основных двух
формах – альфа-спираль
(между аминокислотами
одной полипептидной цепи) и
бета складчатая структура
(между несколькими цепями).
- Третичную структуру
(глобулярную), фиксированную всеми
видами слабых взаимодействий
(водородными связями,
электростатическими, ван-дерваальсовыми и гидрофобными
взаимодействиями). Иногда в белке
есть серосодержащие аминокислоты:
образуются ковалентные связи дисульфидные мостики.
Гидрофобная
связь
Ионная связь
Дисульфидный
мостик
Водородная
связь

11.

- Четвертичную структуру – надструктуру из нескольких белковых
молекул в третичной структуре. Фиксирована слабыми взаимодействиями.
Ведущая роль – гидрофобных взаимодействий.
Фиксация молекулы белка в третичной и четвертичной структуре слабыми
взаимодействиями играет огромную роль в функционировании белка.
Это позволяет менять белку свою конформацию (форму) за счёт разрыва
слабых связей и формирования новых таких связей. Изменения
конформации инициируются, например, присоединением субстрата к
белку-ферменту, присоединением вещества к белку-переносчику,
фосфорилированием белка и т.д.
В случае денатурации белка (например, при нагревании) разрушаются
вторичная, третичная и третичная структуры, но первичная сохраняется.
Если прекратить действовать агентом, вызывающим денатурацию, белковая молекула на основе первичной структуры вновь обретёт
свойственную ей структуру, т.к. она закодирована в последовательности
аминокислот.

12.

ЖИДКОСТНО-МОЗАИЧНАЯ МОДЕЛЬ
МЕМБРАНЫ (Сингер и Николсон, 1972г.)
Периферический белок
Фосфолипидный бислой
Карбогидрат
Холестерол
Липид
Рецепторный белок
Транспортный белок
Ферментный белок
Цитоскелет

13.

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ
интегральные
периферические
Интегральные белки прочно удерживаются в
мембране с помощью гидрофобных
взаимодействий. Их молекулы амфифильны.
Гидрофобная часть этих белков находится в в
зоне гидрофобных хвостиков фосфолипидов, а
гидрофильная – контактирует с жидкими
средами (цитоплазмой и межклеточной
жидкостью).
Периферические белки менее прочно
удерживаются в мембране с помощью ионных
связей.

14.

ПОДВИЖНОСТЬ ФОСФОЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ
Вращение
4 вида движений липидов:
1. колебательное
2. вращательное
3. латеральная диффузия –
перемещение липидов в пределах
одного монослоя
4. флип–флоп – «перескок»
липидов из одного монослоя в
другой
Латеральная
диффузия
T=10-7-10-8с
Диффузия
флип-флоп
T=1час
Флип-флоп происходит
относительно редко. Следствием
этого является химическая
полярность мембраны –
различный химический состав
внутреннего и наружного
монослоев мембраны.

15.

МОДЕЛЬНЫЕ МЕМБРАНЫ
служат для:
1. изучения физических свойств липидного слоя мембран (вязкость,
поверхностный заряд и диэлектрическая проницаемость),
2. изучения проницаемости мембраны для незаряженных молекул
2 вида
1. Липосомы - липидные везикулы
(пузырьки), образующиеся из
фосфолипидов в водных растворах
путём самосборки (головки
«выставляются» наружу, а хвосты
«прячутся» внутрь)
2. Бислойные липидные
мембраны (БЛМ)

16. БИОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН

МЕМБРАНА обладает свойствами жидкого кристалла:
1. Высокоупорядоченная структура (кристалл)
2. Подвижность, текучесть (жидкость)
Для жидкого кристалла характерны фазовые переходы : в зависимости от
условий он может быть в различных фазовых состояниях.
кристалл
гель
жидкость
Условия (физиологические), которые вызывают фазовые переходы:
1. изменение температуры
2. изменения химического состава

17. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

При низких температурах (ниже
Ткр) хвостики липидов
полностью вытянуты: мембрана
имеет наибольшую толщину,
липиды плотно прилегают друг к
другу, их подвижность
ограничена. Текучесть мембраны
и её проницаемость для веществ
наименьшая.
5,8 нм
< Ткр <
При высоких температурах (выше
Ткр) хвостики липидов изгибаются:
мембрана имеет наименьшую
толщину, липиды расположены в
ней рыхло, обладают высокой
подвижностью. Текучесть
мембраны и проницаемость
мембраны для веществ
наибольшая.
4,7нм
Зависимость свойств мембраны от температуры называется
термотропным полиморфизмом.
3,9 нм

18.

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
Зависимость свойств мембраны от химического состава называется
лиотропным полиморфизмом.
1. Ненасыщенных жирные кислоты
способствуют жидкому состоянию
мембраны, т.к. в местах двойных
связей образуются изгибы цепи.
2. Насыщенные жирные кислоты
способствуют густому состоянию
мембраны
3. Чем однороднее состав мембраны,
тем она более густая
4. Холестерол может:
А). уплотнять мембраны, встраиваясь
между хвостиками фосфолипидов и
ограничивая их подвижность;
Б). разжижать мембраны, уменьшая
однородность липидного состава.

19.

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В МЕМБРАНАХ
ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
Происходит по градиентам
концентрации,
электрического
потенциала или давления
без затраты энергии АТФ.
Приводит к исчезновению
градиентов.
АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
Происходит за счёт
энергии АТФ против
градиентов концентрации
или электрохимического
потенциала. Приводит к
увеличению градиентов

20.

ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ
Осмос
Фильтрация
(по градиенту
осмотического
давления)
(по градиенту
гидростатического
давления)
Простая
(свободная)
диффузия
(по градиенту
концентрации)
Облегчённая
диффузия
неэлектролитов
(по градиенту
концентрации)
ионов
(по градиенту
электрохимического
потенциала) d
dx
dC
dx
изотонический
раствор
через бислой липидов
и через поры
с помощью белковпереносчиков
через ионные
каналы
Диффузия – перенос вещества из области большей
концентрации в область меньшей концентрации
вследствие хаотического движения частиц среды
(перемешивание)
гипертонический
раствор
гипотонический
раствор
Различия в способах диффузии веществ обусловлены
неодинаковой проницаемостью для них мембраны

21.

ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАНЫ
ГАЗЫ
ГИДРОФОБНЫЕ НЕБОЛЬШИЕ
МОЛЕКУЛЫ
МОЛЕКУЛЫ
бензин
Свободная
диффузия
спирт
БОЛЬШИЕ
МОЛЕКУЛЫ
глюкоза
ИОНЫ
аминокислоты
Облегчённая
диффузия

22. СВОБОДНАЯ ДИФФУЗИЯ

Плотность потока вещества (I) – число молей (dn) вещества
переносимого через единицу поверхности (S) за единицу времени (dt):
I
1 dn
S dt
Уравнение Фика показывает, что плотность потока диффундирующего
вещества пропорциональна градиенту концентрации:
dC
I D
dx
D U R T
Уравнение Фика, если на пути диффундирующего вещества находится
мембрана, в связи с её неодинаковой проницаемостью для различных
веществ приобретает вид:
где Р- проницаемость мембраны
D K
P
l
проницаемость
мембраны
D
K
l
I P C2 C1 ,
коэффициент диффузии
коэффициент распределения
вещества, показывающий его
растворимость в липидах
толщина мембраны
для вещества,
С2 и С1 – концентрации вещества
внутри и снаружи клетки

23. ОБЛЕГЧЁННАЯ ДИФФУЗИЯ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ

Осуществляется с помощью белков-переносчиков – интегральных белков
мембраны, способных обратимо менять конформацию при присоединении
к ним транспортируемого вещества
Примеры:
I
1. Транспорт глюкозы в эритроциты
I max
б
2. Транспорт глюкозы в мышечные клетки
I max
.
2
Свойства транспорта:
а
1. Высокая скорость переноса (см. б)
2. Высокая специфичность
С
К
I max C
I
K C
уравнение
Михаэлиса-Ментен
I max
3. Феномен насыщения (см. б)
4. Возможность ингибирования
максимальная плотность потока вещества,
C
концентрация вещества,
К-
концентрация транспортируемого вещества, при
которой плотность потока вещества равна половине
максимальной

24. ЭЛЕКТРОДИФФУЗИЯ

Осуществляется через ионные каналы – поры (4) в мембране (1),
заполненные водой и выстланные интегральным белком.
Механизмы специфичности каналов:
1. Размер «фильтра» - самого узкого участка
канала (5)
2. Заряд гидрофильных групп белка, обращённых
в просвет канала (должен быть
противоположным заряду иона)
Специфичность означает: 1 вид канала – 1 вид иона
В мембранах есть калиевые, хлорные, натриевые,
кальциевые каналы.
У каналов есть ворота (3), которые определяют
открытое или закрытое состояния канала.
У натриевых каналов двое ворот – активационные и
инактивационные , поэтому ещё есть
инактивированное состояние

25.

По способу управления воротами различают:
- потенциалзависимые каналы (например, натриевые и калиевые каналы
нервного волокна)
- лиганзависимые каналы (например, такие же каналы в постсинаптической
мембране, активируемые химическим веществом - медиатором)
- активируемые с помощью вторичных посредников (там же)
Уравнение
Теорелла
0 R T ln C z F
f (C, )
d
I U C
dx
I
плотность потока иона
U
d градиент электрохимического
потенциала иона
dx
Уравнение НернстаПланка
dC
d
I U R T U C F z
dx
dx
подвижность иона в растворе;
C концентрация иона,
T ТД температура R универсальная
газовая постоянная
dC
градиент концентрации иона
dx
d
градиент электрического
потенциала иона
dx
z заряд иона
F число Фарадея

26.

АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ
Первичноактивный
транспорт
ионов
ИОННЫЕ НАСОСЫ
переносят вещества
против их градиентов за
счёт энергии гидролиза
АТФ
K+-Na+ насос
Вторичноактивный
транспорт
ионов
Экзоцитоз
Эндоцитоз
транспорт макрочастиц внутрь
клетки(эндоцитоз) или наружу
(экзоцитоз)
ПЕРЕНОСЧИКИ
транспортируют
вещества против их
градиентов за счёт
градиентов других
ионов
эндоцитоз
снаружи
унипорт
внутри
Кальциевый насос,
водородная помпа,
йодный насос и др.
симпорт
антипорт
Натрий-кальциевый обменник,
натрий-водородный обменник,
перенос сахаров, аминокислот,
нуклуотидов в кишечник, мозг .
экзоцитоз
Например, транспорт
медиаторов в мозге

27.

Натрий-калий насосинтегральный белок
мембраны, способный
расщеплять АТФ
Натрий-калий- магний
- зависимая АТФаза
Выкачивает из клетки
3 иона натрия,
закачивает в клетку 2
иона калия

28.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!