Биологические мембраны. Структура, свойства и пути их изучения

Вопросы Виды биологических мембран и их функции. Виды мембранных липидов. Мембранные белки. Виды и функции мембранных белков. Структура биологических мембран. Искусственные мембраны. Липосомы. Методы исследования структуры мембран. Физическое состояние и фазовые переходы в мембранах

Литература В.О.Самойлов. Медицинская биофизика. М. «Спец Лит» г. стр «Биофизика». В.Ф.Антонов и др. М. Владос г. стр «Биофизика». В.А.Тиманюк, Е.Н.Животова. Киев г. и др. «Медицинская и биологическая физика». А.Н.Ремизов. М.Дрофа г. стр

ФУНКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН-БМ В биофизике одним из основных направлений является изучение мембран- их строение, функций, физико-химических свойств и т.д.

Клеточная мембрана это тонкая полупроницаемая оболочка, имеющая толщину (7-10)нм (молекулярного слоя), отделяющая клетку от среды и распределяющая клеточное содержимое.

Виды биологических мембран.

БМ определяет: автономность клетки, транспорт вещества, дыхательную функцию и т.д. По обе стороны мембраны кислотность, температура, концентрация растворенных веществ, электрический потенциал и т.д. неодинаковы.

БМ осуществляют: трансформацию энергии, функции всасывания и переваривания пищи, транспорт молекул и ионов, участвуют в сокращений и расслаблений мышц,

Преобразует энергию света и звука в электрические импульсы, являются механической опорой и изолятором клеток, участвуют в синтезе компонентов наружных клеточных стенок.

Единицей живого организма является клетка, выполняющая все основные жизненные функции.

13 Строение животной клетки

Клетка окружена наружной оболочкой, которую называют плазматической мембраной (плазмолеммой, цитолеммой ).

Виды БМ : плазмолемма; внутриклеточные; базальные ;

в клетках хрусталика глаза только плазмалеммы; в печеночных клетках (гепатитах) плазмалеммы составляют лишь 6,5% поверхности, базальные мембраны регулируют проникновение веществ из крови в ткани.

Модели БМ: 1. Согласно Дж. Даниелли: мембрана состоит из двойного слоя молекул фосфолипидов, и покрыта слоем глобулярных белков, (общая толщина мембраны равна 80 А 0 )

Модель учитывает состав и проницаемость веществ.

Эквивалентная эл-кая схема

Высокая подвижность липидных молекул обуславливает диффузию:

Латеральную –хаотическое тепловое перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны.

Флип - флоп = диффузия молекул мембранных фосфолипидов поперек мембраны. Флип - флоп

Белки мембран. Белки- ферменты; Белки-переносчики; Рецепторные; Структурные.

2. Н. Девсон и Р. Даниелли(1931 г): модель сэндвича (бутерброда), среднюю часть мембраны образует бимолекулярный липидный слой, а на его поверхностях расположены белки.

Бутербродная модель БМ 1 – белковые компоненты, 2- бимолекулярный фосфолипидный слой

3. Дж. Робертсон: слои липидов покрыты не молекулами глобулярного белка, а фибриллярного белка

В мембранах аксонов и шванновских клеток внешняя поверхность мембраны, построена из углеводов мукополисахаридов.

Грин : мембраны митохондрий представляют собой сетку, построенную из повторяющихся единиц - «блоков». «блок» состоит из белка и мицелл фосфолипидов.

Следующее представление о структуре мембран: двойной слой фосфолипидов расположен между двумя тонкими слоями молекул фибриллярного белка, которые, окружены молекулами глобулярных белков.

Если все мембраны построены по единому принципу, то должны бы содержат одинаковые количества липидов и белков. Однако: миелиновая мембрана содержит в четыре раза больше липидов чем белков, а мембрана эритроцитов – белков 1,5 раза больше чем липидов и т.д.

В связи с этим выдвигается еще один тип укладки – мозаичный.

Жидкостно - мозаичная модель предложена Николсоном и Сингером(1971 г): двойной слой липидов (фосфолипиды), инкрустированный белками.

38 К+ Na+ Са ++

Мембраны содержат большое число различных белков. Одни белки находятся на поверхности мембраны (периферические), другие пронизывают мембрану насквозь (интегральные).

Белки построены из 23 аминокислот.. Отличаются лишь радикалом R (например: в глицерине R – атом водорода, в аланине - метильная группа СН 3 и т.д.)

Большинство фосфолипидов имеют два жирнокислотных остатка.

Такие липиды имеют форму- цилиндра. Если отсутствует одна из двух жирных кислот то конус.

В водном растворе такие липиды образуют мицеллы, а в мембране – гидрофильные поры.

Химический состав мембран: липиды; белки; углеводы; гликопротеиды (соединения углеводов с белками ); органические вещества (образуют соли с ионами).

Классы липидов : фосфолипиды гликолипиды стероиды

Гликолипиды Мембранные липиды : Стероиды Фосфолипиды

Фосфолипид - ФЛ: полярная (гидрофильная) часть- (головка и тело); неполярная (гидрофобная) часть- (хвосты)

Химический состав головки: азотистые (этаноламин, холин) или без азотистые (серин, инозин, треонин) основания. тело: глицерин или сфингозин (ненасыщенный аминоспирт); Хвосты: неполярных СН – цепи жирных кислот.

Свойство ФЛ Амфифильность : самопроизвольное выстраивание (гидрофобная часть внутри, гидрофильная –снаружи) Липиды плохо растворяются как в воде (мешают хвосты),так и в масле (мешают головки).

Самое энергетически выгодное расположение это-мономолекулярный слой на поверхности раздела между водой и маслом: их хвосты погружены в масло.

На поверхности вода-воздух ( хвосты направлены в воздух ).

В воде

на поверхности раздела между водой и маслом: хвосты погружены в масло. Как расположены - ? (наизнанку)

Молекулы воды легко связываются друг с другом, соединяясь водородными связями.

В результате в воде образуются сетка, в которой каждый атом водорода связан с двумя атомами кислорода. А каждый атом кислорода связан с четырьмя атомами водорода.

Гликолипид - ГЛ состоит из соединении углеводов и белков обеспечивает существование на клеточных поверхностях отрицательный электрический заряд

Стероиды стероид-холестерин встраивается в фосфолипидный бислой увеличение содержания холестерина резко повышает степень жесткости мембраны и уменьшает проницаемость мембран

Искусственные липидные мембраны Для изучения многих свойств мембран, таких как: проницаемость для различных веществ (лекарств), электропроводность, механизм формирования трансмембранных потенциалов и др.

Варианты применения : монослои липидов на поверхности раздела вода-воздух или вода- масло; плоские бимолекулярные фосфолипидные мембраны липосомы

Липосомы

а – однослойная; б - многослойная

Липосомами называют липидные пузырьки, получаемые встряхиванием сухих липидов в водно-солевом растворе. Липосомы образуются при добавлении фосфолипидов в полярный растворитель.

При введении внутрь липосомы лекарственного препарата облегчается его доставка и проникновение в ткани или органы.

Фазовые переходы Температура фазового перехода зависит от липидного состава мембран: чем больше в хвостах липидов двойных связей, тем ниже температура фазового перехода.

Для мембран, состоящих из насыщенных липидов составляет С,.

а для мембран состоящих из ненасыщенных липидов С.

При нормальных физиологических условиях мембраны находятся в жидком состоянии (жидкокристаллическом).

С повышением температуры мембраны переходят из жидкокристаллического состояния в твердокристаллическое (гель - состояние): хвосты липидов вытянуты строго параллельно друг другу.

Если в жидком состоянии площадь мембраны составляет 0,58 нм 2, то в гель – состоянии 0,48 нм 2.

Толщина мембраны при переходе в твердокристаллическое состояние увеличивается, но за счет уменьшения площади объем мембраны уменьшается. Подвижность липидных молекул в обоих фазовых состояниях отличаются.

Методы изучения структуры мембран 1. Рентгено-структурный анализ. 2. Микрокалориметрия. 3. Люминесценция. 4. Радиоспектроскопия (ЭПР, ЯМР) 5. ИК-спектроскопия. 6. Электронная микроскопия.

R-структурный анализ: при изучении жидкокристаллической структуры фосфолипидного бислоя, при фазовых конформационных переходах в мембранах. Рентгенограмма которых содержит кольца, которые позволяют судить о расположении цепей отдельных атомных группировок.

Микрокалориметрия: измерения малых тепловых эффектов, (клетка, мембрана) и изучения фазовых переходов в мембране.

Люминесценция: молекула (зонд) находится в липидном слое мембраны, по спектру люминесценции судят о свойствах мембраны, полярности среды, диффузии молекул.

Радиоспектроскопия (ЭПР, ЯМР)- ЭПР определят микровязкость липидного слоя мембраны. ЯМР определят подвижность цепей фосфолипидов и самых липидных молекул в мембранах

ИК - спектроскопия: для изучения конформации молекул, идентификации соединений, для исследования взаимодействий между молекулами.

Электронная микроскопия: БМ как трехслойное изображение: между парой темных полос расположено светлое пространство. суммарная толщина трехслойной структуры варьирует от 7 до 15 нм. мембраны построены из липидов, белков и углеводов.

Трехслойное изображение биомембраны

Контрольные вопросы: I. Виды биологических мембран. II. Латеральная диффузия и трансмембранные переходы. III. Липосомы. IV. Химический состав мембран. V. Виды мембранных липидов. VI. Свойства липидного монослоя. VII.Бислойные липидные структуры.

Биофизика Предметом биофизики является изучение физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. Современная биофизика исследует механизмы физических и физико- химических процессов в биологических системах на саб молекулярном, молекулярном, надмолекулярном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.

Основные направления Молекулярная биофизика изучает функциональную структуру и физико-химические свойства молекул. Биофизика клетки – физические и физико- химические свойства клеточных и субклеточных структур. Биофизика органов чувств вскрывает физические и физико-химические механизмы восприятия специфических раздражителей рецепторными аппаратами сенсорных систем человека и животных. Биофизика сложных систем состоит в разрешении общих физико-биологических проблем (происхождение жизни, наследственность, изменчивость и т.д.) на основе физико-математического моделирования важнейших биологических процессов. Биофизические основы экологии – выяснение механизмов воздействия на организм физических и химических факторов среды.

Дж. Даниелли, Дж. Робертсон, Е. А. Либерман и другие ученые, полагают, что молекулы белка в некоторых местах пронизывают липидные слои мембраны, создавая поры. Эти отверстия крайне малы; молекулы веществ, диаметр которых свыше 8А 0, через них не проходят. {Диаметр пор в мембране определяется по размеру молекулы водорастворенного вещества, которая еще способна проникнуть через мембрану}.

Схема, показывающая метод определения диаметра пор мембраны.

На основании этого и других методов было установлено, что у большинства клеток диаметр пор колеблется от 3,5 до 8 А 0. Поры могут иметь структуру длинного извилистого канала. Количество пор в мембране невелико и они расположены довольно далеко друг от друга, так что вся приходящая на их долю площадь, например у эритроцитов, не превышает одной тысячной общей поверхности.

Плазматические мембраны и другие мембранные образования регулируют обмен веществ, играют большую роль в генерации биопотенциалов, в клеточном дыхании, накоплении макроэргических соединений и т. д.

Все компоненты мембраны подвижны и находятся в состоянии непрерывной реорганизаций. Составные части мембран- фосфолипиды и холестерин. Изменение содержания холестерина в органах и тканях приводит к тяжелым заболеваниям. Например, при желчно-каменной болезни в желчном пузыре и печени откладываются камни (холестерин).

При атеросклерозе повышается содержание холестерина в крови, что приводит к суженнию и закупорке сосуда. Таким образом, холестерин обеспечивает нормальное агрегатное состояние мембраны необходимое для ее нормальной работы. А также влияет на подвижность липидов, разжижая мембрану, если она плотная или уплотняя ее, если она слишком жидкая.

Характерным свойством жидких кристаллов является способность к фазовым переходам при определенных условиях ( ЖК ТК). Фазовый переход может совершатся лишь в небольших участках (кооперативный процесс)

Если стеклянную пластинку опустить в воду, на поверхности которой находится мономолекулярная пленка, то ее можно перенести на поверхность этой пластинки. При повторных погружениях на пластинке возникают бимолекулярные и даже многомолекулярные пленки, молекулы отдельных слоев которых соединяются друг с другом либо полярными, либо неполярными группами.

Во внутренней мембране митохондрий и эндоплазматической сети сосредоточены такие окислительные ферменты, как дегидрогеназы, флавины, цитохромы. В мембранных образованиях находятся фосфатазы, ферменты, участвующие в активном переносе веществ (транслаказы, пермеазы), липолитические ферменты.

Помимо мембраны, образующей наружный пограничный слой клетки с многочисленными выростами и впячиваниями, подобные мембранные структуры пронизывают цитоплазму и окружают ядро и клеточные органоиды

{В настоящее время на основании данных рентгеноструктурного анализа и электронного микроскопирования в сочетании с биохимическими методами предполагают, что протоплазма каждой клетки окружена мембраной толщиной около 100 А 0 (по данным Дж. Робертсона,~75 А 0 )}.

Установлено, что некоторые ферменты, обусловливающие превращение сложных веществ в вещества, способные проникать в клетку, локализованы на поверхности клетки. {Во многих мембранных структурах имеются ферментные системы, как, например, в мембранах митохондрий, эндо- плазматической сети, лизосом и т. Д}.

Помимо того что мембраны отделяют протоплазму каждой клетки от околоклеточной жидкости и соседних клеток, они принимают непосредственное участие во всех процессах обмена веществ, которые обусловливают жизнедеятельность организмов.

Таким образом, клетка представляет собой сложную термодинамическую систему, расходующую энергию на выполнение самых разнообразных функций.

Когда с белками взаимодействуют не отдельные липиды, а липидные мицеллы. Такая мембрана состоит из неплотно упакованных белковых глобул, свободные пространства между которыми заполнено липидными молекулами. (Липидное море в котором плавают белки, причем, не со спокойным морем, а бушующим). Если липиды находятся в водной среде то их молекулы обьединяются в мицеллы.

Схема строение мембраны 1 - гидрофильные головки липидов 2 - гидрофобные хвосты липидов 3 – гидрофильная липидная пора 4 – интегральные белки 5 – углеводная компонента гликолипида 6 – микротрубочка, удерживающая белок 7 – белковый канал 8 – периферические белки

Т.о. липиды-низкомолекулярные вещества,относятся к жирам и построены из двух частей:несущие электрические заряды полярной головки и длинных хвостов,не несущие эл.заряды.Полярные головки заряжены либо отрицательно, либо нейтральные,что влияет на поведение

Белки построены из 23 аминокислот. Им присуща общая структура. Отличаются лишь радикалом R (например: в глицерине R – атом водорода, в аланине- метильная группа СН 3 и т.д.)

Мембранные липиды и белки обладают большой подвижностью, (вследствие теплового движения). Если перемещение молекул происходит (в пределах одного мембранного слоя) вдоль плоскости, то такой процесс называется латеральной диффузией; если же их молекулы перемещаются из одного слоя в другой (поперек), то процесс называется флип- флоп-переход.