Гіпотези походження еукаріот:

СИМБІОЗНА: симбіоти клітини-господаря – анаеробний прокаріот;

 

ІНВАГІЦІЙНА: вихідна клітина – аеробний прокаріот.

КЛІТИННІ МЕМБРАНИ

Клітинні мембрани – високоорганізовані структури клітини, які виконують ряд функцій:

1. представляють собою напівпроникні бар’єри – захисна функція для клітин на внутрішньоклітинних органел;

2. здійснюють вибірковий транспорт різноманітних речовин всередину і назовні клітини;

3. передача інформації з допомогою гормонів, медіаторів, нервових імпульсів;

4. перетворення енергії (синтез АТФ здійснюється на внутрішніх мембранах мітохондрій за рахунок енергії трансмембранного градієнта концентрації протонів);

5. процеси молекулярного впізнавання проходять на мембранах клітин, де розміщені рецептори гормонів, молекули імунної системи;

6. ферментативна діяльність пов’язана з координацією всіх біохімічних реакцій, що протікають в клітині.

Термін “ мембрани ”, як невидима плівка, що оточує клітину, вперше використано ботаніком фон Молем і незалежно К. фон Негелі (1817-1891) в 1855 році для пояснення явища плазмолізу.

 

Склад клітинних мембран залежить від їхнього типу та функцій, однак їхній склад є майже універсальним:

ü Ліпіди (50%);

ü Білки (40%);

ü Вуглеводи (10%).

Вчені Е. Гортер і Ф. Грендель виміряли площу моношару, сформованого ліпідами, які екстрагували ацетоном з еритроцитів, і порівняли з площею поверхні цих клітин. Виявили, що площа моношару вдвічі перевищує площу поверхні клітин. Таким чином дійшли висновку, що ліпіди у клітинній мембрані формують бімолекулярний шар (ліпідний бішар) – така думка є загальновизнаною.

МОДЕЛІ МЕМБРАН

Двошарова модель мембрани, включає 2 шари ліпідів,
Е. Гортера і Ф. Гренделя (1925).

Бутербродна модель мембрани Даніелі та Давсона (1935), включає білки, та враховує проникність мембрани для іонів та аніонів.

Двошарова модель мембрани Робертсона (1958), включає шар ліпідів всередині шару білків.

«РІДИННО-МОЗАЇЧНА» МОДЕЛЬ МЕМБРАН Нікольсона і Сінгера. У 1972 році С. Сінгер та
Г. Ніколсон запропонували “рідинно-мозаїчну” модель будови мембран.

 

МЕМБРАННІ ЛІПІДИ

Мембранні ліпіди – це амфифільні (амфіпатичні, amphipathic) сполуки, тому що вони складаються з полярної гідрофільної групи (“головки”) й більш протяжної гідрофобної групи (“хвоста”).

СТРУКТУРА МЕМБРАН

Зовнішня цитоплазматична мембрана, як тваринних, так і рослинних клітин, має трьохшарову (триламінарну) структуру (товщина 5-10 нм):

• 1) надмембранний компонент - глікокалікс;

• 2) плазмалема;

• 3) підмембранний шар – опорно-скоротливий комплекс - цитоскелет.

 

МЕМБРАННІ ЛІПІДИ

На поверхні води ліпіди формують моношар, в якому полярні групи молекул контактують з водою, а неполярні ланцюги орієнтовані всередину під прямим кутом до моношару.

Розрізняють три класи ліпідів, котрі входять до клітинних мембран:

ü фосфоліпіди;

ü сфінголіпіди;

ü холестерол.

 

Бішар ліпідів стабілізується завдяки гідрофобним зв'язкам або Ван-дер-Ваальсовим взаємодіям.

СТРУКТУРА ФОСФОЛІПІДІВ

ФОСФОЛІПІДИ

Фосфоліпіди – їх загалом називають фосфоацилгліцеролами, до складу входять 2 залишки жирних кислот, залишок фосфорної кислоти, яка має складноетерний зв'язок з іншими молекулами.

Фосфоліпіди є не лише структурними компонентами клітин, але також можуть виконувати важливі біохімічні та фізіологічні функції у клітинах. Наприклад, арахідонова кислота є попередником важливих фізіологічних посередників – простогландинів, тромбоксанів.

Фосфоліпіди – як видно з назви складаються з залишків фосфорної кислоти, і є похідними трьохатомного спирту гліцерину або складного спирту сфінгозину.

ФЕА – міститься в тканинах тварин і в меншій кількості у рослин (15-30%), однак це основний фосфоліпід клітин бактерій.

ФС – мінорний фосфоліпід, але входить до мембран про- і еукаріот, найбільше його у клітинах мозку (15%), печінки, серця.

ДФГ – міститься у внутрішній мембрані мітохондрій, хлоропластів, рідко в бактеріях.

ФХ – основний компонент мембранних фосфоліпідів (50%), в бактеріальних клітинах його немає.

ФОСФОЛІПІДИ

 

ГЛІЦЕРОФОСФОЛІПІДИ МЕМБРАН

Полярна

«головка»

ГЛІЦЕРОЛ

ФОСФАТ

ХОЛІН

Гідрофобний

«хвіст»

ЖИРНА КИСЛОТА

Жирні кислоти входять до складу фосфоліпідів, тригліцеролів і сфінголіпідів.

гліцерофосфоліпіди

сфінголіпіди

триацилгліцероли

СФІНГОЛІПІДИ

Сфінгомієліни – найпростіші й найпоширеніші з сфінголіпідів, містять залишок фосфору, тоді як інші два підкласи не містять його, несуть електричний заряд; містяться в більшості мембран тваринних клітин, оосбливо багато у оболонках нервових волокон.

Сфінголіпіди – мають також полярну голівку, та 2 неполярні хвости, один з яких представлений залишком дволанцюгового аміноспирту сфінгозину, однак не містять гліцеролу.

Існують три підкласи сфінголіпідів:

1) сфінгомієліни, 2) цероброзиди, 3) гангліозиди.

Гангліозиди – найбільш складні ліпіди мембран, їхні голівки утворені кількома залишками цукрів. Несуть негативний заряд, оскільки містятб один або декілька залишків сіалової кислоти. Вперше їх виділили з гангліїв, найбільш багатий на гангліозиди мозок (5-10%), нирки, печінки. Гангліозиди локалізуються в плазматичних мембранах і відповідають за контактне гальмування, адгезію, електрофоретичну рухливість, приймають участь у процесах вибіркового транспорту і володіють імунною активністю.

Цероброзиди – не мають електричного заряду, оскільки їхні полярні голівки утворені електронейтральними групами, вони належать до гліколіпідів, оскільки несуть у своєму складі залишки цукрів.

СТЕРОЛИ

Холестерин зустрічається в плазматичних мембранах тварин, в лізосомах, ендосомах, апараті Гольджі; у рослин поширені сито - і стигмастероли, в мембранах дріжджів та прокаріот ергостерол.

ПОЛОЖЕННЯ ХОЛЕСТЕРОЛА В ЛІПІДНОМУ БІШАРІ

«Полярні

Головки»

Ділянка

Холестерола, який надає жорсткості мембрані

Ділянка гідрофобного хвоста, який володіє меншою вязкістю

ДИНАМІКА ЛІПІДІВ У МЕМБРАНІ

Найважливішою фізичною властивістю дволанцюгових амфіфільних молекул є їхня схильність утворювати подвійні (бішари) у водному середовищі.

Бішари формують окремі пухирці (везикули) або пластинчасті (ламелярні) структури.

ТИПИ РУХІВ ЛІПІДНИХ МОЛЕКУЛ У БІШАРІ

При підвищенні температури (у вузькому інтервалі) бішар веде себе як рідина.

За низьких температур бішар схожий на тверде кристалоподібне тіло, у цьому випадку ліпідні молекули майже не переміщуються в площині мембрани.

ТИПИ РУХІВ ЛІПІДНИХ МОЛЕКУЛ У БІШАРІ

Ліпідні молекули спроможні швидко переміщуватися в площині мембрани (латеральна дифузія). Залежить від складу мембран – наприклад, при високому вмісті ненасичених жирних кислот такі рухи проходять за низьких температур.

Ймовірне переміщення молекул ліпідів між поверхнями бішару (фліп-флоп) – процес відносно самовільний і така асиметрія може зберігатися довго. Така дифузія потребує 109 разів більше часу, ніж в латеральному напрямку.

МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ

Для тонкого вивчення структури клітинних мембран застосовують ЕПР (електронний парамагнітний резонанс), ЯМР (ядерний магнітний резонанс) та рентгеноструктурний аналіз.

Дифракція рентгенівських променів – найефективніший сучасний метод дослідження структури великих молекул.

Дані про структуру бішарів було отримано за допомогою ЕПР, сигнал ЕПР дає тільки неспарений електрон, і у звичайного бішару він відсутній, тому вводять у бішар спінові мітки (нітроксильні радикали). Спектр бішару суттєво змінюється зі зміною його структури.

Продовження

· Особливості та характеристика мембранних білків;

· Асиметрія мембран;

· Динаміка мембранних білків;

· Методи дослідження мембранних білків;

· Функції мембранних білків;

· Мембранні вуглеводи - глікокалікс;

· Цитоскелет;

· Роль мембран у старінні клітин;

· Дія стресових чинників на мембрани.

ОСОБЛИВОСТІ ТА ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАННИХ БІЛКІВ

МЕМБРАННІ БІЛКИ

Мембрани різняться між собою за вмістом білка.

Наприклад, у мієліновій оболонці невелика кількість білка, приблизно 18% від загальної маси мембрани.

 

В інших клітинах загальна маса білка становить до 50%, а в мембранах мітохондрій та хлоропластах до 75%.

Мембранні білки забезпечують специфічні властивості плазматичної мембрани.

Відносно розміщення у ліпідному шарі мембранні білки поділяють на:

Інтегральні білки;

Напівінтегральні білки;

Периферичні білки.

ІНТЕГРАЛЬНІ БІЛКИ

Ú Важко виділити;

Ú Підтримують асоціацію з ліпідами;

Ú Містять значну кількість гідрофобних АМ;

Ú Асиметрично орієнтовані амфіфіли;

Ú Трансмембранні білки.

Пронизують подвійний бішар ліпідів, формують канал, з гідрофобною порою, крім гідрофільних ділянок, містять й гідрофобні.

Ú Інтегральна частина

– неполярні АК

• гідрофобна

• якір білка всередині мембрани

Ú Частина над поверхнею мембрани

– полярні АК

• гідрофільна

• поширена у позаклітинній рідині & цитозолі

Тобто крім електростатичних взаємодій, з фрагментами мембран формують гідрофобні взаємодії.

Представниками інтегральних білків є глікофорин А (глікопротеїн), бактеріородопсин, порини бактерій.

ПЕРЕФЕРИЧНІ БІЛКИ

Ú Легко виділити:

– Висока концентрація іонів

– Зміни pH середовища

Ú Вільно прикріплені до ліпідів;

Ú Розчинні у воді (e.g. cytochrome c);

Ú Нормальний амінокислотний склад.

Розміщені на периферії подвійного бішару ліпідів і не формують сильних зв'язків з його компонентами. Зв'язані з полярними головками ліпідів або/чи приєднані до цитоплазматичних ділянок інтегральних білків

Зв'язані з допомогою електростатичних зв'язків. Легко висолюються або детергуються ЕДТА. Переважно це глобулярні білки, однак фібрилярні білки, котрі входять до склад цитоскелету, також належать до переферичних.