Понятие о биологической мембране

Лекция № 4

Понятие о биологической мембране

Клеточные мембраны

Липиды

Глицерофосфолипиды

Сфинголипиды

Гликосфинголипиды

Холестерол

Амфифильный

Простагландины

Фосфоинозитол

Интегральные белки

Трансмембранные однократно-пересекающие белки

Трансмембранные многократно-пересекающие белки

Периферический белок

Строение мембраны

Значение мембран в функционировании клеток

Различия между мембранами

Эта лекция посвящена структурным и функцио­нальным свойствам клеточных мембран, в частно­сти плазматической мембраны. Существует более 200 типов клеток человеческого организма, и существуют также различ­ные типы плазматических мембран. Мембрана принимает множество форм в зависи­мости от структурной и функциональной роли клетки.

Основные клеточные органеллы и их функции. Представлены лишь главные функции, выпол­няемые каждой органеллой. Как правило, в органеллах происходит гораздо больше процессов и реакции

Органелла или фракция	Маркер	Основные функции
Ядро	ДНК	Хромосомы Место синтеза РНК на матрице ДНК (транскрипция)
Митохондрия	Глутаматдегидрогеназа	Цикл лимонной кислоты, окислительное фосфорилирование
Рибосома	Высокое содержание РНК	Место синтеза белка (трансляция с мРНК на белок)
Эндоплазматический ретикулум	Глюкозо-6-фосфатаза	Рибосомы, связанные с мембраной, — главное место синтеза белка Синтез различных липидов Окисление многих ксенобиотиков (цитохром P450)
Лизосома	Кислая фосфатаза	Место расположения многих гидролаз (ферментов, катализирующих реакции распада)
Плазматическаямембрана	Nа^+-К^+-АТФаза 5’-нуклеотидаза	Транспорт молекул внутрь клетки и наружу Межклеточные адгезия и взаимодействие
Аппарат Гольджи	Галактозилтрансфераза	Внутриклеточная сортировка (компартментализация) белков Реакции гликозилирования Реакции сульфатирования
Пероксисома	Каталаза Оксидаза мочевой кислоты	Разрушение определенных жирных кислот и аминокислот Производство и расщепление перекиси водорода
Цитоскелет	Нет специфических ферментных маркеров	Микрофиламенты, микротрубочки, промежуточные филаменты
Цитозоль	Лактатдегидрогеназа	Ферменты гликолиза и синтеза жирных кислот

Плазматической мембраной называется барьер, который окружает цитоплазму, определяя грани­цы клетки. Однако мы знаем, что мембрана служит не только барьером между цитозолем и внеклеточ­ной средой, но содержит молекулы, которые переда­ют сигналы с наружной стороны клетки в цитоплаз­му и к внутриклеточным органеллам.

Белки и липиды

Все клеточные мембраны представляют собой сложную смесь белков и липидов. Существуют три важных принципа строения мембраны.

1. Мембраны не однородны. Мембраны, окружающие внутриклеточные органеллы, и плаз­матическая мембрана отличаются по составу.

2. Многие компоненты мембран находятся в состоянии непрерывного движения. Мем­брана напоминает постоянно меняющуюся мозаику. Некоторые части мембраны изменя­ются быстрее, чем другие.

3. Компоненты мембран чрезвычайно асим­метричны. Между наружным и внутренним слоями мембран имеется различие по относи­тельному количеству и качественному составу липидов. Белки располагаются среди липидов асимметрично и имеют хорошо различимые вне- и внутриклеточные домены.

При исследовании клетки под световым микро­скопом мы можем видеть ее край, ограниченный плазматической мембраной. Однако этот уровень изучения мембран не позволяет увидеть некото­рые важные вариации в ее структуре.

Важнейшие функции мембран

Мембраны контролируют состав внутрикле­точной среды. Основная функция мембраны — формирование вокруг цитоплазмы барьера, кото­рый избирательно пропускает молекулы, входящие в клетку и выходящие из нее. В значительной сте­пени такое поведение мембраны обусловлено не­проницаемостью ее липидов для воды и других гидрофильных молекул. В мембране находятся белки, которые образуют каналы и поры, прини­мающие участие в высокоизбирательном транспор­те молекул через мембрану.

Мембраны обеспечивают и облегчают меж­клеточную и внутриклеточную передачу ин­формации. Мембрана — это место, где молекуляр­ная информация воспринимается, преобразуется и пе­редается далее в клетку.

Строение и сборка мембран

Локализация синтеза

Синтез белка происходит в основном в двух местах: в цитозоле и на мембране эндоплазматического ретикулума (ЭР). Белки, которые высвобож­даются в цитоплазму для дальнейшего пребывания во внутренней среде клетки, синтезируются на ри­босомах, локализованных в цитозоле. Фактически все рибосомы располагаются в цитозоле; однако, до того как они соединятся с мРНК, рибосомы су­ществуют в виде двух основных рибосомных субъ­единиц, рибонуклеопротеиновых комплексов с константами седиментации 40S и 60S.

После выхода мРНК в цитоплазму через поры ядерной мембраны образуется начальный ком­плекс, состоящий из рибосомной 40S субъединицы и мРНК. Как только данный комплекс сформиру­ется, к нему присоединяется рибосомная субъеди­ница 60S, в результате образуется функциональная рибосома, которая немедленно начинает трансли­ровать на мРНК полипептид.

Если рибосома встречает нуклеотидную последо­вательность, кодирующую аминокислотную цепь, сигнализирующую, что транслируемый белок явля­ется мембранным или секретируемым, то трансля­ция прекращается до встраивания начального кон­ца белка в эндоплазматический ретикулум (сигнальная гипотеза).

Результаты исследований синтеза белка (в том числе синтеза на полирибосомах, ассоциирован­ных с ЭР, — «мембрано-связанных рибосомах»), показали, что все интегральные белки синтезируются на мембране ЭР, включая белки плазматиче­ской мембраны. На рисунке показаны клеточные органеллы, участвующие в синтезе и процессинге белка.

Липиды мембран также синтезируются на ЭР и переносятся в плазматическую мембрану. Процесс переноса белков и липидов из ЭР к плазматической мембране осуществляется транспортными пузырьками.

Важным следствием синтеза компонентов плазматической мембраны на ЭР является тот факт, что эти компоненты транспортируются в форме готовых мембран, т.е. в мембранных пузырьках. Таким образом, важно помнить, что мембраны происходят только из предсуществующих мембран. Мембраны органелл клетки имеют сходное строение; однако по белково-липидному составу они значительно отличаются от плазматической мембраны и друг от друга.

Глицерофосфолипиды

(Фосфоглицериды)

Фосфоглицериды — основный класс липидов биологических мембран. Как указывает их назва­ние, фосфоглицериды состоят из молекулы глицерола, две гидроксильные группы которого этерифицированы жирными кислотами, а третья — ос­татком фосфорной кислоты, этерифицированной спиртом. Большая часть полярных липидов имеет сходное строение с небольшими отклонениями.

Жирные ацильные цепи отличаются по структуре, особенно в расположении двойных связей, кото­рые определяют свойства белково-липидного бислоя. Атомы углерода, образующие двойные связи, не могут свободно вращаться, поэтому они занимают фиксированную позицию и создают из­гибы в углеводородной цепи. Эти изгибы предотвращают плотную упаковку липидных «хвостов», что влияет на вязкость или текучесть мембраны.

Протяженность ацильных цепей также имеет биологическое значение: более короткие цепи упако­ваны в менее жесткие структуры, и это способствует уменьшению вязкости мембраны. Таким образом, и длина ацильной цепи, и число двойных связей игра­ют важную роль в изменении текучести мембраны.

Сфинголипиды

Наиболее распространенные сфинголипиды - это церамиды. Миелин, липидное вещество, окружающее и изолирующее многие нервные волокна, состоит в основном из сфингомиелина.

Холестерол

Холестерол — третий основной класс мебранных липидов. Этот стероид выполняет в мембране много­численные функции.

Внедрение гидрофобной части молекулы холестерола между гидрофобными доменами других липидов приводит к менее плотной «упаковке» нена­сыщенных ацильных цепей, что придает внутренней части бислоя меньшую вязкость, то есть делает ее более текучей. Снижение вязкости способствует ла­теральному перемещению липидов в плоскости ли­пидного бислоя.

Противоположный эффект - ОН-группа «цементирует» гидрофильные части мембраны, что делает мем­брану менее проницаемой для небольших молекул.

В подвижной мембране могут возникать полос­ти, облегчающие движение через мембрану мелких водорастворимых молекул, например, глюкозы. Холестерол способствует более плотной упаковке мембраны в области гидрофильных доменов.

Хотя молекулы холестерола могут легко переска­кивать (flip-flop) между слоями, они обычно скап­ливаются в наружном слое, тем самым утолщая слой.

Фосфоинозитиды

Фосфоинозитиды — еще один важный класс мембранных липидов. Липиды этого семейства не­посредственно участвуют в передаче некоторых сигналов в клетку с использованием двух высокоактивных молекул:

1. Фосфорилированного инозитола. Это -  небольшие гидрофильные молекулы которые  связываются с внутренними ре­цепторами,  и открывают кальциевые каналы и пропускают ионы кальция в цито­золь.

2. Диацилглицерин (DAG). Используется для интерпретации поступающих сигналов и реакции на них клетки, что крайне важно для жизненных процессов клетки.

Белково-липидная мозаика

Белки составляют приблизительно 50% от мас­сы большинства клеточных мембран.

Крупное открытие в области взаимодействия мембранных белков и липидов сделали д-р Джон Зингер (Jon Singer) и его студент Гарт Николсон (Garth Nicholson), показавшие, что большая часть мембранных белков погружена в мембрану почти перпендикулярно (Singer and Nicholson, 1972). В результате была предложена модель мембраны типа белково-липидной мозаики (жидкостно-мо­заичная модель).

Периферические белки

Как указывалось выше, периферические мем­бранные белки, в отличие от интегральных, не по­гружены в липидный бислой и не соединены с ним ковалентно. Они удерживаются в основном силь­ными ионными взаимодействиями. Более того, периферические белки тесно ассоциированы с интегральными белками в мембране так называемыми белок-белковыми взаимодействиями. Приведем два важнейших периферических белка.

●Спектрин, который находится на внутренней поверхности клетки

●Фибронектин, локализованный на наружной поверхности мембраны.

Специализация мембран

Трансмембранные домены

Трансмембранные домены рецепторов можно разделить на две группы. Первое, очень большое се­мейство рецепторов, пронизывает мембрану семь раз. Это свойство настолько характерно для членов семейства, что их называют «семь раз пересекающи­ми рецепторами», или «серпантинными» рецептора­ми. Другое важное свойство этих политопных рецеп­торов — использование ими белков семейства внут­риклеточных тримерных гуанозинтрифосфатаз (ГТФазы) (G -белков) в качестве начального эффектор-активирующего субстрата.

β₂-адренергический рецептор и родопсин с их трансмембранными доменами, пересекающими мембрану семь раз, представлены на рисунке.

По общей структуре все члены семейства сер­пантинных рецепторов похожи, однако все они от­личаются друг от друга по способности связывать различные классы лигандов.

Лекция № 4

Понятие о биологической мембране

Клеточные мембраны

Липиды

Глицерофосфолипиды

Сфинголипиды

Гликосфинголипиды

Холестерол

Амфифильный

Простагландины

Фосфоинозитол

Интегральные белки

Трансмембранные однократно-пересекающие белки

Трансмембранные многократно-пересекающие белки

Периферический белок

Строение мембраны