ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕМБРАН И ИХ ФУНКЦИИ

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра медицинской биофизики и информатики

Дисциплина ООD 012 МВ 1112 «Медицинская биофизика»

Обсуждена и утверждена на заседании кафедры

Заведующий кафедрой проф. ______________ Б.К. Койчубеков

Подтема: Биологические мембраны. Структура, свойства и пути их изучения.

Цель: Рассмотреть роль и функции биологических мембран в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Определить основные пути изучения физико-химических свойств мембран.

3.Физические свойства липидов. Поведение липидов в водных растворах.

4.Подвижность углеводородных цепей фосфолипидных молекул в липидном бислое мембран

Почему будущему врачу необходимо знать основные свойства и функции клеточных мембран? Как можно исследовать биологические мембраны? Для чего это необходимо? Какие основные характеристики имеют клеточные мембраны? В каких жизненно важных функциях они участвуют?

Неклеточные формы жизни не существуют на Земле. Вирусы и бактериофаги не могут рассматриваться как самостоятельные живые системы – из всех функций живой клетки они обладают лишь способностью передавать генетическую программу. Напротив, основные характеристики жизни присущи как одноклеточным организмам, так и подавляющему большинству типов специализированных клеток многоклеточных организмов. Строение и поведение отдельных клеток настолько сложно, что оказывается возможным формулировать проблемы поведения на клеточном уровне, проблемы этологии. Эта область посвящена изучению, прежде всего, направленных движений внутриклеточных компонентов и самих клеток.

Если рассмотреть электронную микрофотографию ультратонкого среза живой ткани (после его фиксации и соответствующего прокрашивания), то первое, что обращает на себя внимание, - это тонкие двойные линии, которые "вырисовывают" контуры клетки и внутриклеточных органелл (слайд 1). Это - срезы через биологические мембраны - тончайшие плёнки, состоящие из двойного слоя молекул липидов и встроенных в этот слой белков. По сути дела, именно мембраны (наряду с цитоскелетом), формируют структуру живой клетки. Клеточная или цитоплазматическая мембрана окружает каждую клетку. Ядро окружено двумя ядерными мембранами: наружной и внутренней. Все внутриклеточные структуры: митохондрии, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, лизосомы, пероксисомы, фагосомы, синаптосомы и т.д. представляют собой замкнутые мембранные везикулы (пузырьки).

Мембраны играют ключевую роль как в структурной организации, так и в функционировании всех клеток — прокариотических и эукариотических, растительных и животных. Мембраны формируют внутриклеточные компартменты (отсеки), с их помощью происходит разделение содержимого компартментов и окружающей их среды. Но если бы это была единственная функция мембран, они не были бы столь интересны. Мембраны не только разделяют клетку на отдельные компартменты, но и участвуют в регуляции всех связей и взаимодействий, которые осуществляются между наружной и внутренней сторонами этих компартментов.

Важнейшие физические и физико-химические функции клетки состоят в химическом метаболизме и синтезе, в биоэнергетических процессах запасания энергии и её преобразование при реализации электро- и механохимических процессов и регулируемого транспорта молекул и ионов (Слайд 2)

Во всех живых клетках биологические мембрану выполняют функцию барьера, отделяющего клетку от окружающей среды, и разделяющего внутренний объем клетки на сравнительно изолированные "отсеки" (compartments). Сами по себе перегородки, разделяющие клетки на отсеки, построены из двойного слоя липидных молекул (называемого часто липидным бислоем) и практически непроницаемы для ионов и полярных молекул, растворимых в воде. Но в этот липидный бислой встроены многочисленные белковые молекулы и молекулярные комплексы, одни из которых обладают свойствами селективных (т. е. избирательных) каналов для ионов и молекул, а другие - насосов, способных активно перекачивать ионы через мембрану. Барьерные свойства мембран и работа мембранных насосов создают неравновестное распределение ионов между клеткой и внеклеточной средой, что лежит в основе процессов внутриклеточной регуляции и передачи сигналов в форме электрического импульса между клетками.

Вторая функция, общая для всех мембран - это функция "монтажной платы" или матрицы, на которой располагаются в определенном порядке белки и белковые ансамбли, образующие системы переноса электронов, запасания энергии в форме АТФ, регуляции внутриклеточных процессов гормонами, поступающими извне и внутриклеточными медиаторами, узнавания других клеток и чужеродных белков, рецепции света и механических воздействий и т. д. О работе многих из таких систем читатель узнает из других статей данного тома.

Гибкая и эластичная пленка, которой по существу являются все мембраны, выполняет и определенную механическую функцию, сохраняя клетку целой при умеренных механических нагрузках и нарушениях осмотического равновесия между клеткой и окружающей средой.

Общие для всех мембран функции барьера для ионов и молекул и матрицы для белковых ансамблей обеспечиваются главным образом липидным бислоем, который устроен в принципе одинаково во всех мембранах. Однако набор белков индивидуален для каждого типа мембран, что позволяет мембранам участвовать в выполнении самых

Сочетание транспорта вещества с сохранением и автономностью внутреннего устройства клетки осуществляется единственным возможным способом для выполнения своих функций клетка как целая отделена от внешней среды полунепроницаемой перегородкой. Каждая клетка окружена плазматической мембраной. Появление мембраны, по-видимому, было важным этапом в возникновении жизни – компарментация, отделение внутриклеточного пространства от внешнего мира, определяла решительное ускорение добиологической и биологической эволюции.

Биологическими мембранами называются функциональные структуры клеток толщиной в несколько молекулярных слоёв, ограничивающие цитоплазму и большинство внутриклеточных структур, а также образующие единую внутриклеточную систему канальцев, складок и замкнутых полостей.

Толщина биологических мембран редко превышает 10 нм, однако, вследствие сравнительно плотной упаковки в них основных молекулярных компонентов (белки и липиды), а также большой общей площади клеточных мембран они составляют более половины массы сухих клеток.

Таким образом, биологические мембраны являются одним из первых и наиболее универсальных типов надмолекулярных структур в живой природе. Биологические мембраны – надмолекулярные динамические системы, протяжённость которых в двух измерениях значительно превосходит их толщину. Однако, все механизмы, ответственные за биологическую функциональность мембраны, локализованы именно в её толще.

Таким образом, основная задача заключается в том, чтобы, опираясь на общие представления о структуре и функциях мембран, выявить молекулярно-биологические основы их структурного и функционального разнообразия.

Успехов в исследовании мембран удалось достичь благодаря сравнительному изучению мембран из множества разнообразных организмов. Бактериальные клетки имеют довольно простую наружную оболочку, содержащую одну или две мембраны, которые можно модифицировать генетически или путем изменения условий роста клеток. Вирусы с оболочкой внедряются в клетки животных благодаря слиянию с плазматической мембраной последних и высвобождаются из клетки-хозяина, отпочковываясь от нее. Изучение созревания вирусных белков позволяет узнать много нового о процессах биосинтеза мембранных белков.

Основными проблемами, решаемыми на настоящее время биофизикой мембран являются:

1. Молекулярное строение мембран, динамические свойства мембранной структуры, определяющие её функциональность.

2. Роль мембраны как системы, обеспечивающей транспорт веществ из клетки в клетку. Основная задача состоит в раскрытии молекулярной природы активного и пассивного транспорта и функциональности строения мембраны, определяющей транспорт. Иными словами, проблема сводится к установлению связи структуры и функции.

3. Изучение физической сущности возбудимости в мембран. Перемещение ионов сквозь мембрану определяет биоэлектрические явления – возникновение биопотенциалов, генерацию и распространение нервного импульса.

4. Изучение биоэнергетики мембран. С одной стороны, сюда относится конверсия энергии АТФ в работу, производимую при активном транспорте и генерации биопотенциалов, с другой, - образование АТФ в процессах окислительного формирования, происходящего, в частности, в биоэнергетических мембранах митохондрий. Биоэлектрические процессы катализируются ферментативной системой, локализованной в мембране. Как детальный механизм действия этой системы, так и характер и физический смысл её локализации представляют первостепенный интерес.

Известно, что основными химическими соединениями входящими в состав мембран являются липиды и белки (слайд 3).

Мембранных липиды чрезвычайно разнообразны.. Причины этого пока не ясны, хотя становится все более очевидно, что, по-видимому, связано это с тем разнообразием функций, которые липиды выполняют в мембранах. Но, конечно, главная функция мембранных липидов состоит в том, что они формируют бислойный матрикс, с которым взаимодействуют белки. Основные классы липидов это – глицерофосфатиды.

Это наиболее распространенные липиды. Одна из гидроксильных групп глицерола связана с полярной группировкой, содержащей фосфат, а две другие — с гидрофобными остатками. Природные фосфолипиды, как правило, имеют D-конфигурацию.

У большинства фосфоглицеридов фосфатная группа обычно связана с какой-либо из групп (холиновой, этаноламиновой, миоинозитольной, сериновой и глицерольной (слайд 4).

Жирные кислоты почти всегда содержат четное число атомов углерода в пределах от 14 до 24. Наиболее распространены кислоты С16, С18 и С20. Степень ненасыщенности может быть разной, но чаще всего встречаются ненасыщенные кислоты 18:1, 18:2, 18:3 и 20:4 (слайд 6,7).

Роль липидов как элементов сохраняющих стабильность мембраны, связана прежде всего со свойством амфифильности таких молекул.

Амфифильными эти молекулы называют потому, что они состоят из двух частей, различных по своей растворимости в воде: полярной “головки”, обладающей высоким сродством к воде, т. е. гидрофильной, и “хвоста” образуемого неполярными углеводородными цепями жирных кислот; эта часть молекулы обладает низким сродством к воде, т. е. гидрофобна (слайд 5,7). С химической точки зрения фосфолипид состоит из четырёх частей: глицерина, двух жирных кислот с длинной углеводородной цепью, фосфорной кислоты и особой для каждого фосфолипида группы, которую мы будем называть характеристической группой.

Примером амфифильной молекулы может служить молекула фосфатидилэтаноламина, структура которой показана слайде 8. Как и другие фосфолипиды, фосфатидилэтаноламин, в химическом отношении представляет собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина с двумя жирными кислотами; к третьей гидроксильной группе присоединен ортофосфат, а к нему - небольшая органическая молекула, характерная для каждого вида фосфолипидов.

Фосфолипиды различаются как составом жирных кислот, так и структурой характеристической группы. В фосфатидилэтаноламине такой группой является остаток этаноламина. В других фосфолипидах такой группой может Фосфолипиды различаются как составом жирных кислот, так и структурой характеристической группы. В фосфатидилэтаноламине такой группой является остаток этаноламина. В других фосфолипидах такой группой может быть остаток холина, серина и другие полярные молекулы

Белки мембран принято делить на интегральные и периферические (слайд 9). Интегральные белки имеют обширные гидрофобные участки на поверхности и нераствориммы в воде. С липидами мембран они связаны гидрофобными взаимодействиями и частично погружены в толщу липидного бислоя, а зачастую и пронизывают бислой, оставляя на поверхности сранительно небольшие гидрофильные участки. Отделить эти белки от мембраны удается только с помощью детергентов, типа додецилсульфата или солей желчных кислот, которые разрушают липидный слой и переводят белок в растворимую форму (солюбилизируют его) образуя с ним ассоциаты. Все дальнейшие операции по очистке интегральных белков осуществляются также в присутствии детергентов.

Изучение физических свойств липидного слоя мембран осуществляется преимущественно на двух видах искусственных мембранных структур, образованных синтетическими фосфолипидами или липидами, выделенными из биологических источников: липосомах и бислойных липидных мембранах (БЛМ).

Липосомы - это липидные везикулы (пузырьки), образующиеся из фосфолипидов в водных растворах. Чтобы получить липосомы, спиртовый раствор фосфолипидов впрыскивают в большой объем водного раствора фосфолипиды, нерастворимые в воде, образуют мелкие пузырьки, стенки которых состоят из одного липидного бислоя (однослойные липосомы).

Можно сначала высушить раствор фосфолипидов в органическом растворителе (например, хлороформе) в пробирке, добавить в пробирку водный раствор и хорошенько потрясти пробирку. Липиды переходят в водный раствор, теперь уже в виде многослойных липосом. Суспензию липосом обычно используют для изучения физических свойств липидного бислоя как вязкость, поверхностный заряд или диэлектрическая проницаемость, а также для изучения проницаемости для незаряженных молекул (слайд 10,11)

Атомы углерода в углеводородных цепях жирных кислот соединены между собой одинарными связями, вокруг которых, как на оси, разные участки цепи могут вращаться. Это вращение приводит к тому, что цепи могут находиться в самых различных конфигурациях (слайд 16)

В результате такого вращения жирнокислотные цепи приобретают как бы гибкость, хотя на самом деле они не изгибаются в полном смысле этого слова, а лишь могут поворачиваться вокруг связей между атомами, что и приводит к изгибу молекулы в целом.

Возможность изменения конфигурации цепей жирных кислот имеет большое значение для растворения в липидном слое и переноса через него различных молекул и ионов. Ион попадает в полость внутри липидного бислоя, образуемую за счет соответствующих изгибов окружающих цепей жирных кислот.

Такая полость называется кинком (от английского слова kink - петля, изгиб). Кинки образуются в результате теплового движения молекул и ион может перемещаться в липидном слое мембраны, перескакивая из одного кинка в соседний (слайд 18).

Гидрофобный эффект объединяющий молекулярные компоненты в мембранах, препятствует их выходу в водную фазу за пределы мембраны. В то же время силы межмолекулярного взаимодействия обычно не мешают молекулам в мембранах обмениваться друг с другом местами, поскольку площадь контакта между водой и гидрофобными участками при этом практически не изменяются. Вследствие этого молекулярные компоненты в мембранных системах сохраняют индивидуальную подвижность и могут диффузионным путем передвигаться в пределах мембраны.

Рассмотрим подвижность и типы движения основных молекул, входящих в состав биологической мембраны.

Для измерения подвижности отдельных липидов и их частей используют разнообразные методы. Так к полярной головке липида можно присоединить «спиновую метку», например нитроксильную группу (=N-О), имеющую неспаренный электрон. Спин этого электрона порождает парамагнитный сигнал, который обнаруживается методом электронного парамагнитного резонанса. Этот метод позволяет легко определить движение и ориентацию в бислое подобного спин – меченного липида. Такие опыты показали, что молекулы липидов легче всего осуществляют вращательные движения вокруг своей длинной оси. Время корреляции вращательного движения τ_с молекул (время поворотов на угол в 1) спин – меченых фосфолипидов, стеринов и жирных кислот в различных модельных и природных мембранах, находящихся в жидком составляет ≈10^-9с. Вращательное движение имеет достаточно малое время корреляции и температуру ниже точки плавления жирно-кислотных цепей липидов в мембранах.

Латеральная диффузия. Липидные молекулы без труда меняются местами со своими соседями в пределах одного монослоя. Такое перемещение молекул обычно называют латеральной диффузией. Липидная молекула средних размеров диффундирует на расстоянии, равное длине большой бактериальной клетки (≈2 мкм), ≈ за 1с. Скорость латеральной диффузией существенно зависит от липидного состава мембран и температуры.

Флип-флоп переходы. Другой тип движения молекул липидов в мембранных системах – это трансбислойное движение (флип-флоп-переход). Исследование движения спин – меченых липидов показывают, что липидные молекулы в синтетических мембранах чрезвычайно редко пересказывают из одного монослоя мембраны в другой. Этот процесс имеет особое физиологическое значение, так как процесс биосинтез фосфолипидов и сборка мембраны протекают асимметрично. Активные центры ферментов биосинтеза фосфолипидов локализованы на одной, а не на двух сторонах мембраны. Например, фосфолипиды синтезируются и внедряются в мембрану на цитоплазматической стороне эндоплазматического ретикулума печени крысы и на внутренней стороне бактериальной цитоплазматической мембраны. Ясно, что эти липиды должны пересечь мембрану, чтобы достичь противоположной стороны бислоя.

Скорость трансмембранной миграции фосфолипидов в фосфолипидных везикулах пренебрежимо мала: ее характерное время составляет несколько суток или любая индивидуальная молекула липида осуществляет подобный флип-флоп-перескок реже, чем 1 раз в неделю. Такая малая скорость перехода связана с необходимостью преодолеть полярной головке липида углеводородную зону мембраны. Флип-флоп-переход может ускоряться в присутствии таких интегральных мембранных белков, как гликофорин, или при возмущениях в бислое, происходящих, например, при обработке фосфолипазами.

Однако имеются мембраны, в которых миграция липидов протекает очень быстро, с характеристическим временем порядка нескольких минут. Такие данные по лучены для эндоплазматического ретикулума печени крысы, а также для цитоплазматической мембраны грамположительных бактерий В. megaterium. В этих мембранах происходит синтез липидов, и в них, по-видимому, присутствуют специальные транслоказы, которые обеспечивают быструю трансмембранную миграцию липидных молекул. Такое предположение было высказано в отношении эндоплазматического ретикулума, но оно пока не нашло экспериментального подтверждения. Характерное время трансмембранной миграции липидов в мембране эритроцитов имеет промежуточное значение и составляет величины порядка нескольких часов в зависимости от структуры изучаемого липида. Было установлено, что скорость миграции возрастает при нарушениях цитоскелета, а также под действием агентов, влияющих на структуру липидного бислои (например, грамицидина А). Возможно, цитоскелет играет определенную роль в уменьшении скорости миграции липидов через бислои благодаря связыванию аминофосфолипидов. Характерно, что ни эндоплазматический ретикулум, ни бактериальная цитоплазматическая мембрана, для которых характерна высокая скорость флип-флопа перехода липидов, не связаны с цитоскелетом.

Иллюстративный материал: к лекции прилагаются слайды в виде презентации.

1. Физика и биофизика: руководство к практ. занятиям: учеб. пособие / В. Ф. Антонов [и др.]. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 336 с.

2. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2004. –496 с.

3. Рубин А.Е. Биофизика. Т1, Т2 М.: Университет «Книжный дом», 2004.

4. Физика и биофизика: Учебник / В. Ф. Антонов, Е. К. Козлова, А. М. Черныш. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 472 с.: ил.

5. Физика и биофизика. Краткий курс: Учебное пособие для вузов / В. Ф. Антонов, А. В. Коржуев. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 256 с.: ил.

6. Физика и биофизика: Курс лекций для медвузов / Антонов, Валерий Федорович, Коржуев А.В. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 236 с.

7. Медицинская и биологическая физика: Учеб.для вузов / Ремизов, А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. - 7-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2007. - 558 с.: ил. - (Высшее образование).

8. Медицинская и биологическая физика: учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Г. Максина, А. Я. Потапенко. - 10-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2011. - 558 с.: ил.

9. Учебник по медицинской и биологической физике / Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. - Изд.5-е, стереотип.6-е изд., стер. - М.: Дрофа, 2004, 2005. - 560 с.: ил.

10. Медицинская и биологическая физика: Курс лекций с задачами: Учеб. пособие / В. Н. Федоров, Е. В. Фаустов. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010, 2008. - 592 с.

11. Физика и биофизика: учебник для вузов / В.Ф Антонов [и др.]. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 480 с.: ил.

1. Почему врачу надо знать основы мембранологии?

2. Какими методами изучают строение мембран и почему?

КАРАГАНДИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра медицинской биофизики и информатики

Дисциплина ООD 012 МВ 1112 «Медицинская биофизика»

Обсуждена и утверждена на заседании кафедры

Заведующий кафедрой проф. ______________ Б.К. Койчубеков

Подтема: Биологические мембраны. Структура, свойства и пути их изучения.

3.Физические свойства липидов. Поведение липидов в водных растворах.

4.Подвижность углеводородных цепей фосфолипидных молекул в липидном бислое мембран

Основными проблемами, решаемыми на настоящее время биофизикой мембран являются:

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: