Биологические Мембраны

План.

  I.    Основные факты о строении клеточной мембраны.

        1. 1. Мембраны (общая характеристика). Липиды мембран.         

        1. 2. Белки мембран.

        1. 3. Углеводы мембран.

        1. 4. Свойства мембран.

II.    Перенос  молекул через мембрану.

        1.    Пассивный транспорт. Простая диффузия.

        2.    Облегченная диффузия.

        3.    Принципы работы белка-переносчика.

        4.    Фильтрация.

        5.    Активный транспорт. (Na + K)-насос.

        6.    Роль (Na + K )-насоса в поддержании допустимого осмотического давления в клетке.

        7.   Транспорт за счет ионных градиентов. Симпорт, антипорт.

        8.    Транспорт, путем векторого  переноса групп.

        9.    Сквозной транспорт веществ  через клетки кишечника.

        10.  Обменники. Регулировка pH.

        11.  Взаимодействие некоторых  гормонов с клеткой.

        12.  Ионные каналы.

     III. Список использованной литературы.

Основные  факты о строении клеточной мембраны. 

    1.1. К клеточным мембранам относятся плазмолемма, кариолемма,  мембраны митохондрий, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом. Общей  чертой  всех мембран клетки является то, что они  представляют  собой  тонкие  (6-10  нм) пласты липопротеиновой природы, (липиды в комплексе  с  белками).  Основными химическими компонентами клеточных мембран являются  липиды  (40%)  и  белки (60%);  кроме того,  во  многих  мембранах обнаружены  углеводы   (5-10%). Плазматическая мембрана окружает каждую клетку,   определяет  ее  размер  и обеспечивает  сохранение  различий  между   содержимым  клетки   и   внешней средой.   Мембрана   служит  высокоизбирательным  фильтром  и  отвечает   за активный транспорт веществ,   то  есть,  поступление  в  клетку  питательных веществ  и  вывод  наружу  вредных  продуктов  жизнедеятельности. Наконец, мембрана ответственна за  восприятие  внешних  сигналов,   позволяет  клетке реагировать на внешние изменения. Все  биологические  мембраны  представляют собой ансамбли липидных и белковых молекул,  удерживаемых вместе  с  помощью нековалентных взаимодействий.

    Основу  любой  молекулярной  мембраны  составляют   молекулы   липидов, образующих бислой. К липидам относится большая группа органических  веществ, обладающих  плохой  растворимостью  в   воде   (гидрофобность)   и   хорошей растворимостью в органических растворителях и жирах (липофильность).  Состав липидов в разных мембранах неодинаков. Например, плазматическая мембрана,  в отличие  от  мембран  эндоплазматической  сети   и   митохондрий   обогащена холестерином.  Характерными   представителями   липидов,   встречающихся   в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды),  сфингомиелины и из стероидных липидов – холестерин.

    Особенностью  липидов   является   разделение   их   молекул   на   две функционально различные части: гидрофобные неполярные,  не  несущие  зарядов («хвосты»), состоящие из жирных кислот, и гидрофильные, заряженные  полярные «головки». Это определяет способность липидов  самопроизвольно  образовывать двухслойные (билипидные) мембранные структуры толщиной 5-7 нм.

    Первые  опыты,  подтверждающие  это,  были  проведены  в   1925   году. Формирование   бислоя   является   особым  свойством   молекул   липидов   и реализуется даже вне клетки. Важнейшие  свойства  бислоя:  -  способность  к самосборке - текучесть - ассиметричность.

    1.2.  Хотя  основные  свойства  биологических   мембран    определяются свойствами   липидного  бислоя,   но   большинство   специфических   функций обеспечивается мембранными белками. Большинство из них пронизывают бислой  в виде одиночной альфа-спирали,  но  есть  и  такие,  которые  пересекают  его несколько раз. Многие мембранные белки состоят из двух  частей  –  участков, богатых  полярными  (несущими  заряд)  аминокислотами:  глицином,  аланином, валином, лейцином. Такие белки в липидных слоях мембран  располагаются  так, что их неполярные концы как бы погружены  в  «жирную»  часть  мембраны,  где находятся гидрофобные участки  липидов.  Полярная  (гидрофильная)  же  часть этих белков взаимодействует с головками липидов и обращена в сторону  водной фазы. Эти белки как  бы  пронизывают  мембрану,  их  называют  интегральными белками мембран.  Кроме  интегральных  белков,  существуют  белки,  частично встроенные в мембрану – полуинтегральные и примембранные,  не  встроенные  в билипидный слой. По биологической роли  белки  мембран  можно  разделить  на белки-ферменты,  белки-переносчики,  рецепторные  и  структурные  белки.   С помощью белков  осуществляется  транспорт  через  мембрану  многих  веществ. Многие из примембранных белков  связаны  нековалентными  взаимодействиями  с трансмембранными белками, но есть и такие, которые имеют  ковалентную  связь с молекулами липидов. Большинство мембранных белков, так же как  и  липидов, способны  свободно  перемещаться  в плоскости мембраны.  Известно  два  вида движения белков и липидов  в  мембране  –  это  так  называемые  латеральная диффузия и  флип-флоп.  Латеральная  диффузия  –  это  хаотическое  тепловое перемещен ие молекул липидов и белков в плоскости мембраны. Флип-флоп –  это диффузия молекул мембранных фосфолипидов поперек мембраны, но он  происходит гораздо реже, чем латеральная диффузия. Известно, что  одна молекула  липида совершает флип-флоп раз в две  недели,  в  то  время,  как  та  же  молекула диффундирует в плоскости липидного слоя  за 1 секунду на  расстояние  равное длине большой бактериальной клетки.

    1.3. Углеводы мембран - это полисахаридные   и   олигосахаридные цепи, ковалентно присоединенные к мембранным  липидам  и  белкам.  Такие  вещества называются соответственно гликолипидами и гликопротеидами.  Углеводы  всегда распологаются  на  той  стороне  мембраны,   которая   не   контактирует   с цитозолем.    То   есть,   на   внешних   (плазматических)   мембранах   они присоединяются  снаружи  клетки.  Функция  углеводов  клеточной  поверхности пока  неизвестна,   но  представляется  вероятным,   что  некоторые  из  них принимают участие в процессах межклеточного узнавания.

    1.4. Как бы ни было велико различие между мембранами  по  количеству  и составу их липидов,  белков  и  углеводов,  мембраны  обладают  рядом  общих свойств,  определяемых  их  основной  структурой.  Все   мембраны   являются барьерными структурами, резко  ограничивающими  свободную  диффузию  веществ между цитоплазмой и средой, с одной стороны, и между матриксом и  содержимым мембранных органелл, с другой. Особенность же  специфических  функциональных нагрузок каждой мембраны определяется свойствами  и  особенностями  белковых компонентов, большая  часть  из  которых  представляет  собой  ферменты  или ферментные  системы.  Большую  роль  в   функционировании   мембран   играют гликолипиды и гликопротеиды надмембранного слоя. 

2. Перенос  молекул через мембрану. 

    2.1. Так как   внутренняя   часть   липидного   слоя   гидрофобна,   он представляет  собой  практически  непроницаемый   барьер   для   большинства полярных молекул.  Вследствие наличия этого барьера, предотвращается  утечка содержимого  клеток,  однако  из-за  этого  клетка  была  вынуждена  создать специальные механизмы  для  транспорта  растворимых  в  воде  веществ  через мембрану.  Перенос  малых  водорастворимых   молекул   осуществляется    при помощи специальных транспортных белков. Это  особые  трансмембранные  белки, каждый из которых отвечает  за  транспорт  определенных  молекул  или  групп родственных молекул.

     В  клетках  существуют  также   механизмы   переноса   через   мембрану макромолекул   (белков)  и   даже   крупных   частиц.   Процесс   поглощения макромолекул клеткой называется эндоцитозом. В  общих  чертах  механизм  его протекания таков: локальные участки плазматической  мембраны  впячиваются  и замыкаются, образуя эндоцитозный пузырек, затем поглощенная  частица  обычно попадает в лизосомы и подвергается деградации.

    Пассивный  транспорт – это перенос веществ  из мест с  большим  значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением.

    При  опытах с искусственными липидными  бислоями было  установлено,   что чем меньше молекула  и  чем  меньше  она  образует  водородных  связей,  тем быстрее она дифундирует через мембрану. Итак,  чем  меньше  молекула  и  чем более она жирорастворима (гидрофобна или неполярна), тем быстрее  она  будет проникать через мембрану. Диффузия веществ через липидный бислой  вызывается градиентом концентрации в мембране. Через липидные и  белковые  поры  сквозь мембрану   проникают   молекулы   нерастворимых   в   липидах   веществ    и водорастворимые гидратированные ионы  (окруженные  молекулами  воды).  Малые неполярные молекулы легко растворимы и быстро   диффундируют.   Незаряженные полярные  молекулы  при небольших размерах также растворимы и  диффундируют. Важно,  что вода  очень быстро проникает через липидный  бислой  несмотря на то,  что она относительно нерастворима в  жирах.   Это  происходит  из-за того,  что  ее молекула  мала  и электрически нейтральна.

    Осмос  – преимущественное движение  молекул  воды  через  полупроницаемые мембраны (непроницаемые для растворенного вещества и проницаемые  для  воды) из мест с меньшей концентрацией растворенного вещества  в  места  с  большей концентрацией. Осмос – по сути дела, простая диффузия  воды  из  мест  с  ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией  воды.  Осмос  играет большую роль во многих биологических явлениях. Явление осмоса  обусловливает гемолиз эритроцитов в гипотонических растворах.

    Итак,  мембраны могут пропускать воду  и  неполярные  молекулы  за  счет простой диффузии.

    2.2. Но клетке  необходимо  обеспечить  транспортировку таких веществ как  сахара,  аминокислоты,  нуклеотиды,  а  также  многих  других  полярных молекул. Как  уже  говорилось,  за  перенос  подобных  веществ  ответственны специальные мембранные транспортные белки. Такой вид  пассивного  транспорта называется  облегченной  диффузией.   Каждый   из   них   предназначен   для определенного класса молекул а иногда  и  для   определенной   разновидности молекул.   Первые  доказательства  спецефичности  транспортных  белков  были получены,   когда  обнаружилось,  что  мутации   в  одном  гене  у  бактерий приводят к потере способности  транспортировать  определенные  сахара  через плазматическую мембрану.  У человека есть болезнь  цистинурия,  при  которой отсутствует  способность   транспортировать   некоторые   аминокислоты,    в частности  цистин, из мочи или кишечника в кровь, - в  результате  в  почках образуются цистиновые камни. Все  изученные   транспортные   белки  являются трансмембранными белками,  полипептидная цепь которых  пересекает   липидный бислой несколько раз. Все они обеспечивают перенос молекул  через  мембрану, формируя в ней сквозные проходы. Если молекула не заряжена,  то  направление ее   диффузии  определяется   разностью   концентраций   по  обеим  сторонам мембраны  или  градиентом  концентрации.   В  то  же  время  на  направление движения  заряженной  молекулы будет влиять еще и  разность  потенциалов  на сторонах мемраны  или  мембранный  потенциал   (обычно   внутренняя  сторона мембраны    заряжена    отрицательно   относительно   наружной).    Учитывая концентрационный  и  электрический   градиенты,   многие   белки-переносчики позволяют растворенным веществам проходить через мембраны  только  пассивно, то  есть,  в направлении  электрохимического  градиента.

    2.3. Рассмотрим подробнее работу  белка переносчика,   обеспечивающего пассивный транспорт веществ через  клеточную  мембрану. Процесс,  с  помощью которого   белки-переносчики   связывают   и   транспортируют   растворенные молекулы,  напоминает ферментативную реакцию.   В  белках-переносчиках  всех типов имеются участки  связывания  для  транспортируемой   молекулы.   Когда белок  насыщен,   скорость  транспортировки  максимальна.  Связывание  может быть блокируемо как конкурентными  ингибиторами,   (конкурирующими  за   тот же    участок   связывания),    так   и   не   конкурентными   ингибиторами, связывающимися  в  другом  месте  и  влияющими  на  структуру   переносчика. Молекулярный  механизм  работы  белков  переносчиков   пока   не   известен. Предполагается,  что   они   переносят   молекулы,   претерпевая   обратимые конформационные  изменения,   которые  позволяют  их   участкам   связывания располагаться попеременно то на одной, то на другой  стороне  мембраны.   На данной  схеме  представлена  модель,   показывающая,   как   конформационные изменения в белке могли бы обеспечить  облегченную  диффузию   растворенного вещества.   Белок  переносчик  может   состоять   в   двух   конформационных состояниях "пинг" и "понг".  Переход  между  ними  осуществляется  случайным образом и  полностью  обратим.   Однако,   вероятность  связывания  молекулы транспортируемого  вещества  с  белком  гораздо  выше  в  состоянии  "пинг". Поэтому молекул, перемещенных  в  клетку,  будет  гораздо  больше  чем  тех, которые ее  покинут.  Происходит транспорт  вещества  по  электрохимическому градиенту.

    Некоторые  транспортные белки просто переносят   какое-либо  растворенное вещество с одной стороны  мембраны  на  другую.   Такой  перенос  называется унипортом.  Другие  белки  являются  контранспортными   системами.   В   них устанавливаются следующие закономерности:

    а)    перенос    одного    вещества    зависит    от     одновременного (последовательного)  переноса  другого вещества  в   том   же   направлении (симпорт).

    б)    перенос    одного    вещества    зависит    от     одновременного (последовательного) переноса    другого    вещества    в    противоположном направлении (антипорт).

    Например,  большинство    животных    клеток   поглощает   глюкозу   из внеклеточной  жидкости,  где  ее  концентрация   высока   путем   пассивного транспорта осуществляемого белком,  который работает как унипорт.  В  то  же время, клетки кишечника и почек поглощают ее  из  люменального  пространства кишечника и из почечных  канальцев,  где  ее  концентрация  очень  мала,   с помощью симпорта глюкозы и ионов  Na.