Гликолипиды. Холестерол. Жидкостно-мозаичная модель мембраны.

Напомним, что большая группа «Омыляемых липидов» подразделяется на две подгруппы:

1. простые омыляемые липиды и

2. сложные омыляемые липиды.

Омыляемыми они называются из-за того, что при гидролизе из них образуются соли высших карбоновых кислот, т.е. мыла.

Сложные липиды получили своё название из-за того, что имеют более сложное строение в сравнении с простыми липидами (восками и жирами).

Молекулы простых липидов состоят из атомов углерода (С), водорода (H) и кислорода (О).

В состав молекул сложных липидов, помимо атомов углерода, водорода и кислорода, входят атомы других элементов. Чаще всего это: фосфор (Р), сера (S) и азот (N). При этом структура молекул сложных липидов действительно более сложная, чем структура молекул простых липидов.

Классификация сложных липидов

Сложные липиды часто трудно классифицировать, так как они содержат группировки, позволяющие отнести их к нескольким группам.

Тем не мнее, сложные липиды принято делить на три большие группы:

1. Фосфолипиды

• Глицерофосфолипиды

      — Фосфатиды       — Фосфатидилсерины       — Фосфатидилэтаноламины       — Фосфатдилилхолины (лецитины)       — Плазмалогены

• Сфингомиелины

• Сфингомиелины
• Церамиды
• Цереброзиды

      — Галактоцереброзиды       — Глюкоцереброзиды.

• Если вы обратили внимание, cфингомиелины входят сразу в две группы (фосфолипидов и cфинголипидов).
• А цереброзиды одновременно входят в группы сфинголипидов и гликолипидов.
• Это происходит потому, они содержат группировки, позволяющие отнести их к нескольким группам.

Химический состав сложных липидов

Фосфолипиды

Фосфорсодержащие сложные липиды называются фосфолипидами.

Фосфолипиды — это сложные эфиры многоатомных спиртов и высших жирных кислот. В своём составе содержат остаток фосфорной кислоты и соединенную с ней добавочную группу атомов различной химической природы.

К фосфолипидам относятся глицерофосфолипиды и некоторые сфинголипиды (сфингомиелины).

Глицерофосфолипиды – производные L-глицеро-3-фосфата.

1.       Глицеро-3-фосфат – соединение глицерина, в котором атом водорода замещён остатком азотной кислоты.
2.       Цифра 3 означает, что остаток азотной кислоты присоединён к третьему атому углерода в молекуле глицерина.
3.       Глицеро-3-фосфат может существовать в виде двух стереоизомеров (L и D).
4.       Природные глицерофосфолипиды являются производными L-изомера.
5. Глицерофосфолипиды — главный липидный компонент клеточных мембран.
6. Среди глицерофосфолипидов наиболее распространены фосфатиды – сложноэфирные производные L- фосфатидовых кислот.
7. L- фосфатидовые кислоты представляют собой этерефицированный жирными кислотами по спиртовым гидроксильным группам L-глицеро-3-фосфат.

В молекуле L-фосфатидовых кислот остатки жирных кислот образуют эфирные связи с первым и вторым атомами углерода.

Примерами фосфатидов могут служить:

• Фосфатидилсерины,
• Фосфатидилэтаноламины,
• Фосфатилхолины (лецитины).

• Всё это соединения, в которых фосфатидовые кислоты этерефицированы по фосфатному гидроксилу серином, этаноламином и холином соответственно.
• Плазмалогены.
• Плазмолагены – это глицерофосфолипиды, содержащие простую эфирную связь.
• Они менее распространены по сравнению со сложноэфирными глицерофосфолипидами.
• Плазмолагены содержат остаток винилового спирта, связанный простой эфирной связью с С1 L-глицеро-3-фосфата, как, напрмер, плазмогены с фрагментом этаноламина:

Плазмолагены составляют до 10% от общего количества липидов центральной нервной системы.

Сфинголипиды

Сфинголипиды – структурные аналоги глицерофосфолипидов, где вместо глицерина используется сфингозин – насыщенный длинноцепочечный двухатомный аминоспирт.

Церамиды

Примером сфинголипидов служат церамиды.

Церамиды — это наиболее простые сфинголипиды. Они содержат только сфингозин, аминогруппа которого ацилирована жирной кислотой, или другими словами, соединена с жирнокислотным ацильным остатком.

АЦИЛИРОВАНИЕ — введение ацильной группы (ацила) RCO (остаток жирной кислоты) в молекулу органического соединения путем замещения атома водорода.

Сфингомиелины.

Важную группу сфинголипидов составляют сфингомиелины. В сфингомиелинах гидроксил у С1 ацилирован фосфорилхолиновой группировкой, поэтому их также можно отнести и к фосфолипидам.

Сфингомиелины были впервые обнаружены в нервной ткани.

Гликолипиды

1. Гликолипиды — соединения, построенные из липидного и углеводного фрагментов, соединенных ковалентной связью.
2. Типичные представители гликолипидов – цереброзиды и ганглиозиды – сфингосодержащие липиды (их можно поэтому считать сфинголипидами).

3. Цереброзиды
4. В цереброзидах остаток церамида связан с D-галактозой или D-глюкозой.

• Ганглиозиды
• Ганглиозиды – богатые углеводами сложные липиды, впервые выделеные из серого вещества мозга.
• В стуктурном отношении они сходны с цереброзидами, отличаясь тем, что вместо моносахарида они содержат сложный олигосахарид.
• Напомним, что олигосахариды представляют собой углеводы, состоящие из нескольких моносахаридных остатков.

Сложные липиды – структурная основа клеточных мембран.

Характерная особенность сложных липидов – бифильность, обусловленная наличием неполярных гидрофобных и высокополярных ионизированных гидрофильных группировок.

В фосфатидилхолинах, например, углеводородные радикалы жирных кислот образуют два неполярных «хвоста», а карбоксильная, фосфатная и холиновые группы – полярную часть.

1. На границе раздела фаз такие соединения действуют как превосходные эмульгаторы.
2. В составе биомембран, ограничивающих живые клетки и их внутриклеточные органеллы, липидные компоненты обеспечивают высокое электрическое сопротивление мембраны, её непроницаемость для ионов и полярных молекул и проницаемость для неполярных веществ.
3. В частности, большинство анестезирующих препаратов отличается хорошей растворимостью в липидах, что позволяет им проникать через мембраны нервных клеток.
4. В состав клеточных мембран входят в основном белки и липиды, среди которых преобладают фосфолипиды, составляющие 40-90% от общего количества липидов в мембране.

Строение биомембраны интенсивно изучается в настоящее время. В одной из моделей клеточная мембрана рассматривается как липидный биослой.

В таком биослое углеводородные хвосты липидов за счёт гидрофобных взаимодействий удерживаются друг возле друга в вытянутом состоянии во внутренней полости, образуя двойной углеводородный слой.

Полярные группы липидов располагаются на внешней поверхности бислоя.

Дополнением рассмотренной модели является жидкостно-мозаичная модель биомембраны, предполагающая, что мембранные белки встроены в жидкую липидную бислойную основу таким образом, что их гидрофобные участки погружены во внутреннюю полость мембраны, а ионизированные остатки аминокислот находятся на её поверхности.

Биологические мембраны

СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Биологические мембраны — это активный молекулярный комплекс с высокоизбирательными свойствами, обеспечивающий обмен веществ и энергии с окружающей средой. В мембранах находятся специфические молекулярные насосы и каналы, с помощью которых регулируются молекулярный и ионный состав внутриклеточной среды.

Помимо внешней цитоплазматической мембраны (плазмолемма) в клетках эукариотов имеются еще и внутренние мембраны, ограничивающие различные внутриклеточные компартменты (отсеки), например митохондрии, лизосомы, хлоропласты и т. д. Мембраны регулируют также обмен информацией между клетками и средой (восприятие внешних стимулов) и т. д.

Мембраны различаются как по функции, так и по структуре. Однако всем им присущи следующие основные свойства:

• ■ мембраны представляют собой плотную структуру толщиной в несколько молекул, 60-100 А, образующую сплошную перегородку между отдельными клетками и внутриклеточными отсеками;
• ■ мембраны главным образом состоят из липидов и белков. В мембранах имеются также углеводные компоненты, связанные с липидами и белками;
• ■ липиды мембран представлены относительно небольшими молекулами, несущими гидрофильные и гидрофобные группы. В водной среде эти молекулы спонтанно образуют замкнутые бимолекулярные слои, которые служат барьером для проникновения полярных соединений;

■ большинство функций мембран опосредуются специфическими белками, которые могут играть роль насосов, каналов, рецепторов, ферментов и т. д.

В состав мембран входят три основных типа липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерин.

СТРОЕНИЕ МЕМБРАН

Фосфолипиды мембран. Среди липидных компонентов мембран главенствующая роль принадлежит фосфолипидам — веществам, производным либо трехатомного спирта глицерола (глицерофосфолипиды), либо более сложного спирта сфингозина (сфингофосфолипиды).

Все основные глицерофосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, этерифицированной с гидроксильной группой спиртов, таких как серии (серинфосфатиды — кефалины), этаноламин, холин (холинфосфа-тиды), кардиолипин (дифосфатидилглицерол) и инозитол (фос-фатидилинозитол).

Из сфингофосфолипидов основным является сфингомиелин, основу которого составляет сфингозин — аминоспирт с длинной ненасыщенной углеводородной цепью. В состав сфингомиелина входит также азотистое основание холин.

Независимо от структурных разнообразий каждая молекула фосфолипида в водной среде — это амфипатическая молекула с полярной головкой и неполярной хвостовой частью. Полярная головка образуется за счет остатков спиртовых групп, азотистых оснований и фосфорной кислоты. Хвостовая же часть — за счет радикалов двух жирных кислот насыщенного и ненасыщенного ряда.

Благодаря своим амфипатическим свойствам фосфолипиды в водной среде спонтанно формируют липидные бислои, где полярные головки фосфолипидов направлены в сторону растворимой части клетки с образованием водородных связей с диполями воды, а неполярные хвосты — внутрь бислоя, скрепляясь между собой за счет гидрофобных взаимодействий.

Именно бислойная структура фосфолипидов определяет полупроницаемые свойства мембран.

В качестве примера можно привести фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин.

Оба они имеют в верхней части молекулы полярные головки NH4 (фосфатидилэтаноламин) и N+ (фосфатидилхолин), которые через остаток фосфорной кислоты и глицерина присоединены к двум остаткам жирных кислот, из которых одна насыщенная, другая — ненасыщенная (рис. 1).

 

 

Фосфолипиды с ненасыщенными жирными кислотами

Фосфолипиды с насыщенными жирными кислотами

В 1972 г. С. Дж. Сингер и Г. Никольсон сформулировали теорию строения мембран, согласно которой мембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру.

При обычной для клетки температуре мембранный бислой находится в жидком состоянии, что обеспечивается определенным соотношением между насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами в гидрофобных хвостах полярных фосфолипидов.

Жирные кислоты с ненасыщенными связями характеризуются большей гибкостью (в отличие от насыщенных ЖК) и способностью создавать изгибы, что предотвращает плотную упаковку, затрудняет «замораживание» мембран и таким образом влияет на их текучесть ().

Упаковка углеводородов в бислое зависит от температуры.

При низких температурах бислой находится в виде геля и упакован плотно, при высоких же температурах (температура тела) бислой фактически «расплавляется» и становится текучим, позволяя липидным молекулам двигаться вокруг своей оси, вращаться, меняться местами. Это, в свою очередь, способствует перемещению уже других компонентов в мембране, в частности белков.

Мембранные гликолипиды. Следующим важным компонентом мембран являются гликолипиды — липиды, содержащие углеводы.

Гликолипиды животных клеток, подобно сфингомиелину, являются производными спирта сфингозина, связанного с ацильным радикалом.

Отличие между этими липидами заключается в том, что в гликолипидах к сфингозиновому остатку присоединены один или несколько остатков сахара, а в сфингомиелине — фосфорилхолин.

Гликолипиды могут быть простые и сложные. Простейший гликолипид — цереброзид, содержащий только один остаток сахара (глюкозу или галактозу). В более сложных гликолипидах число сахарных остатков может достигать семи (ганглиозиды)

Гликолипиды в мембранах могут выполнять защитную, полупроводниковую, рецепторсвязывающую роль. Среди молекул, способных связываться с гликолипидами, встречаются также такие клеточные яды, как холера, токсин тетануса и др.

Холестерин в мембранах. Другой представитель липидов в мембранах — это холестерин. Количество его в мембранах варьирует в зависимости от типа клеток.

В плазматических мембранах в среднем на каждую молекулу фосфолипида приходится примерно 1 молекула холестерина. У других (например, бактерий) — холестерина нет вообще.

У холестерина так же, как у фосфолипидов, имеются участки полярные и неполярные.

Внутри мембран холестерин внедряется между фосфолипидами и ориентируется в том же направлении, что и сами молекулы фосфолипидов. Таким образом, полярная головка холестерина оказывается в той же плоскости, что и полярные головки фосфолипидов (рис. 2).

В мембранах холестерин выполняет следующие функции:

■ фиксируют первые несколько ближайших углеводородных групп, входящих в состав фосфолипидных жирных кислот. Это делает липидный бислой более устойчивым к деформациям и ограничивает прохождение через них небольших водорастворимых молекул. В случае отсутствия холестерина (как, например, у бактерий) клетка нуждается в оболочке;

■ предотвращает кристаллизацию углеводородов и фазовые сдвиги в мембране.

Мембранные белки. В то время как мембранные липиды ответственны за создание барьера проницаемости, мембранные белки опосредуют отдельные функции мембран, т. е. транспорт веществ, передачу информации, энергии и т. д.

Соотношение между липидами и белками у разных мембран может быть разным, например, миелин, изолятор нервных клеток, содержит только 18% белков и 76% липидов, а митохондриальная внутренняя мембрана, наоборот — содержит 76% белков и только 24% липидов.

В зависимости от характера локализации в мембранах выделяют белки интегральные (трансмембранные), периферические и «заякоренные».

Интегральные белки пронизывают бислой мембраны насквозь и благодаря своим бифильным свойствам фиксируются в нем. Белки, пронизывающие мембрану только один раз, называют однократно пронизывающими белками, а несколько раз — многократно пронизывающими.

Периферические белки локализуются на поверхности мембран и скрепляются только за счет электростатических взаимодействий и водородных связей.

Довольно часто периферические белки присоединяются к некоторым участкам интегральных белков (рис. 3).

Олигосахариды Гликопротеины Олигосахариды

Рис. 3. Белковый состав мембран

«Заякоренные» белки фиксируются в мембранах с помощью коротких хвостовых липофильных доменов, образованных либо за счет гидрофобных аминокислотных остатков (цитохром b5), либо за счет ковалентно связанных ацильных радикалов (фермент щелочная фосфатаза).

Участки белков, которые обращены во внеклеточную среду, могут подвергаться гликозилированию.

Транспортные белки. Мембранным белкам принадлежит решающая роль в транспорте веществ через мембраны, и для выполнения этой роли наилучшим образом подходят интегральные белки, которые охватывают пространство как внутриклеточное, так и межклеточное.

Транспорт веществ через мембраны белки осуществляют различными способами; они могут выступать в качестве белковых насосов, каналов, транспортеров.

АТР — зависимые насосы, представляют собой АТРазы, которые способствуют движению через мембраны ионов или небольших молекул против их концентрационного градиента (или электрохимического потенциала) за счет энергии расщепления АТР. Такой вид транспорта известен как активный транспорт.

С активным транспортом сопряжены определенные химические реакции, так, например, благодаря таким насосам в животных клетках обеспечивается поддержание низких концентраций Са2+ внутри клетки и высокое содержание ионов Nа+ в межклеточном пространстве, низкое значение рН в желудочном соке у человека и животных (моногастричных), внутри лизосом клеток, вакуолей растительных клеток.

Белковые каналы обеспечивают быстрое (до 108 молекул в секунду) перемещение одновременно молекул воды и других молекул и ионов по направлению снижения их концентрационного градиента (или электрохимического потенциала). Такие перемещения молекул обычно являются энергетически выгодными.

Так, плазматические мембраны всех животных клеток содержат К+ — специфичные белковые каналы, которые открываются и закрываются в определенное время. Другие белковые каналы в это время закрыты и открываются только в ответ на воздействие специальных сигналов.

Особенно большую роль играют такие каналы в нервных клетках.

Белки-транспортеры способствуют транспорту различных ионов и молекул через мембрану; однако, в отличие от канальных белков, белки-транспортеры связывают одну (или несколько) молекул субстрата одновременно, что приводит к изменению конформации белка и в результате к транспорту этих связанных молекул через мембрану. Такие транспортеры могут переносить в клетку около 102-104 молекул в секунду, что гораздо медленнее, чем движение по белковым каналам.

1. Обнаружены 3 типа белка-транспортера.
2. Юнипортеры осуществляют транспорт через мембрану животных клеток молекул одного типа в сторону уменьшения их концентрационного градиента, например, глюкозу, аминокислоты.
3. Антипортеры и симпортеры обеспечивают согласованный ко-транспорт одних молекул или ионов через мембрану против их концентрационного градиента с движением других молекул или ионов в процессе их перемещения в сторону уменьшения их концентрационного градиента.
4. АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ

Активный транспорт — это транспорт веществ через мембраны за счет потребления энергии расщепления АТР. Активным транспортом осуществляется транспорт некоторых ионов и небольших молекул против их концентрационного градиента.

Белки, участвующие в активном транспорте через мембраны (белковые насосы), условно подразделяют на 4 класса: суперсемейство белков АВС, белки класса Р., F., и V. Белки класса Р., F. и V транспортируют только ионы, а АВС — небольшие молекулы и ионы.

Белки (насосы) Р. — класса состоят из 2 субъединиц — α и β; α — субъединица содержит АТР — связывающий участок и является каталитической, а β — субъединица — регуляторной.

Большинство белков этого класса являются тетрамерами, составленными из 2 α, и 2 β — субъединиц.

В процессе транспорта, по крайней мере, одна из α — субъединиц сначала подвергается фосфорилированию (поэтому и обозначается как «Р»), и именно через нее происходит транспорт ионов.

• К белкам Р — класса относятся:
• ■ Nа+/К+- АТРаза — фермент, локализованный в плазматической мембране и регулирующий внутриклеточное содержание ионов Nа+ и К+ в клетках животных;
• ■ Са2+- АТРазы — насосы, перекачивающие ионы Са2+ из цитозоля в межклеточное пространство против их концентрационного градиента для поддержания низкого уровня кальция (10-2 М) в цитоплазме клеток животных, дрожжей и растений. Помимо плазматических Са2+-АТРаз клетки мышц содержат еще другую Са2+-АТРазу (мышечный Са2+-й насос), которая осуществляет перекачивание ионов кальция из цитозоля в саркоплазматический ретикулум (СР) — внутриклеточное хранилище кальция;
• ■ мембранные белки эпителиальных клеток желудка у млекопитающих, способствующие поступлению соляной кислоты в желудок;
• ■ Н+- насосы, транспортирующие протоны водорода из клетки взамен поступления ионов К+ внутрь клетки;

■ Н+- насосы, регулирующие мембранный электрический потенциал в клетках растений, грибов, бактерий. Эти насосы не содержат фосфопротеиновой части.

https://www.youtube.com/watch?v=a11_YftNmp0\u0026t=20s

Ионные насосы класса F и V структурно похожи друг на друга, но гораздо сложнее, чем белки класса Р.

Насосы F и V состоят из 3 трансмембранных белков и 5 различных полипептидов, которые ориентированы в цитозольную часть белка и формируют внутрицитозольный домен.

Некоторые субъединицы трансмембранных белков, ориентированные во внешнюю часть биомембран, структурно аналогичны внутрицитозольным доменным полипептидам.

Насосы класса V в основном участвуют в поддержании низкого значения рН в вакуолях растений и лизосомах и других кислотных везикулах животных клеток за счет расходования энергии расщепления АТР и перекачивая протоны водорода через мембрану из цитозоля в межклеточное пространство против протонного электрохимического градиента.

Насосы класса F найдены в плазматических мембранах бактерий, мембранах хлоропластов и митохондрий.

В отличие от насосов класса V их функция в основном направлена на синтез АТР из АDР и неорганического фосфата за счет движения протонов водорода из цитозольного межмембранного пространства в сторону уменьшения электрохимического градиента.

Последний класс АTР — зависимых транспортных белков — это суперсемейство АВС (АТР-binding cassette). Этот класс включает до 100 различных транспортных белков, и обнаружены они в клетках всех организмов. Каждый АВС — белок специфичен по отношению к одному какому-то субстрату, или группе субстратов, похожих друг на друга, включая ионы, углеводы, пептиды, полисахариды и даже белки.

Все АВС — транспортные белки объединяет наличие у них 4 главных доменов — двух трансмембранных доменов (Т), образующих так называемые ворота для «прохождения» молекул через мембрану, и двух внутрицитозольных домена (А), участвующих в связывании АТР.

Таких АТР — связывающих участков у АВС — белков могут быть один или два, и их часто называют АТРазами, хотя и не всегда они проявляют АТР — гидролизующие свойства.

В отдельных случаях такие трансмембранные белки могут проявить АТР — синтезирующие свойства, что играет решающую роль при синтезе АТР в митохондриальных мембранах.

Плазматическая мембрана

Жидкостно-мозаичная модель подразумевает состав плазматической мембраны из двух рядов фосфолипидов с множественными включениями белков.

Находящиеся на внутренней и внешней поверхности называются периферическими протеинами, расположенные внутри слоя — интегральные протеины.

Иногда к белкам и жирам присоединяются углеводы, которые в сумме образуют гликопротеины и гликолипиды соответственно.

Изображение 1. Жидкостно-мозаичная модель плазматической мембраны. Белок-носитель захватывает элемент из внешней среды. Белки-каналы пропускают внутрь клетки определённые вещества. Фосфолипиды создают устойчивый барьер между внутренней средой клетки и внешней средой

Некоторые мембраны включают в себя молекулы холестерина. Небольшое количество у мембран митохондрий, в то время как некоторые мембраны на половину состоят из холестерина. Холестерин обеспечивает большую изменчивость и прочность фосфолипидного слоя, но уменьшает количество проходящих жидкостей растворимых в воде.

Большое количество белков в фосфолипидном слое образует протеиновую мозайку. Некоторые из пограничных белков участвуют в перемещении веществ через мембрану, поэтому носят название транспортных белков. Транспортные белки бывают двух типов — протеиновые каналы, образующие поры, и белки-носители, переносящие вещества через мембрану.

Все мембраны клетки, включая мембраны органел, таких как ядро, ретикулы, аппарат Гольджи, митохондрии, лизосомы и хлоропласты, обладают одинаковой базовой структурой, изменяется только количество жиров, белков и углеводов.

Обмен веществами

Жизнедеятельность клетки подразумевает обмен веществами с окружающей средой, вроде питания — клетка впитывает новые вещества и выпускает «отработанные». Выделяют пассивный и активный транспорт.

Пассивный транспорт

В случае пассивного транспорта клеткой не затрачивается энергия для переноса веществ, вещества перемещаются за счёт собственной кинетической энергии.

Диффузия

Диффузия происходит за счёт перемещения веществ из областей с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Например, если добавить каплю красителя в воду — капля растворится во всём объёме, это происходит за счёт тенденции снижения внутренней энергии вещества (более детально эти процессы описаны в статье термодинамика).

Осмос

Осмос клетки — это процесс диффузии воды. Клетка не может контролировать процесс осмоса и количество воды в клетке зависит от концентрации воды в среде.

Если концентрация молекул воды в среде выше, то в клетке образуется избыток воды, что приводит к повышенному внутреннему давлению (гипотонии), напряжённое состояние стенок клетки называется тургор тканей (лат. turgor — вздутие).

Пониженая концентрация молекул среды приводит к обратному процессу — вода выходит из клетки, клетка иссыхает.

Облегчённая диффузия

Множество веществ необходимых для существования клетки не могут попасть через плазматическую мембрану, независимо от давления, поскольку они нерастворимы в жирах (ионы K+, Na+, Ca2+, моносахара, аминокислоты). Для этих целей в мембране расположены белки-каналы и белки-переносчики.

Белки-каналы образуют проход наподобии трубы сквозь мембрану, позволяющий проходить определённому типу веществ. Белки-переносчики открыты с внешней стороны мембраны и при попадании определённых веществ в полость этих белков меняют своё направление, перемещая вещество во внутреннюю среду клетки.

Белки-переносчики очень тонко реагируют на вещества и не позволяют проходить даже близко похожим веществам.

Активный транспорт

В некоторых случаях клетке необходимо избавиться от веществ, концентрация которых внутри клетке меньше, чем снаружи, тогда включается механизм активного транспорта.

Для перемещения вещества из области с меньшей концентрации в область большей концентрации необходимо затратить энергию, клетки используют энергию молекул АТФ (аденозинтрифосфат).

Для активного транспорта используется тип белков обладающий возможностью образования связи с молекулой АТФ и перемещаемым агентом, белки работают в режиме белков-переносчиков.

Везикулы

Помимо активного и пассивного транспорта, клеточная мембрана также обеспечивает поглощение крупных частиц, жидких и твёрдых, этот процес называется эндоцитоз. Поглощение твёрдых частиц называется фагоцитоз, жидких частиц — пиноцитоз.

Клетка окружает плазматической мембраной часть среды, таким образом создавая внутри своего тела полость, которая носит название везикула. Похожим образом происходит экзоцитоз: из аппарата Гольджи выходит везикула, и при соприкосновении с плазматической мембраной, становится её частью, освобождая содержимое во внешнюю среду.

В процессе экзоцитоза высвобождаются отходы жизнедеятельности клетки, либо секрецируемое клеткой вещество, например, гормоны.

Плазматическая мембрана

Моделью строения плазматической мембраны являестя жидкостно-мозаичная модель (рис.2), обладающая свойствами замкнутости, текучести и асимметричности.

• Замкнутость. Плазматическая мембрана является
• Текучесть. Липиды, белки и другие составляющие
• Асимметричность. Внешняя и внутренняя поверхности
• на внешней поверхности мембраны.

внешней границей клетки, а также внутренних клеточных компартментов. плазматической мембраны движутся в пределах слоя. Переходы между слоями называются flip-flop, происходят реже чем в пределах слоя, что обеспечивает наличие свойства асимметричности. Переходы между слоями осуществляют ферменты транслокаторы фосфолипидов мембраны различаются по составу липидов белков и наием гликокаликса

(оранж.) и гидрофильной наружной части (сер.).

1. 3D-модель липидного бислоя: membrane.rar
2. для малых м-л (глюкоза)

[450 Kb]. липидный бислой | мицелла, бислойная пленка-образования амфипатических м-л в H2O | искусств бислои – сферические везикулы — липосомы, черные м-ны – кажутся черными из-за интерференции света белки:липиды=от1:4 в миелине до 3:1 в бактериях, липиды обеспеч электрич сопротивление, непрониц для полярных соед и прониц для непол | м-ны способны образовывать отверстия ч-з кот проходят малые мол-лы напр H2O | более короткие цепи упакованы в менее жесткие стр-ры – уменьш вязкости м-ны, удлинение ацильной цепи уменьшает текучесть м-ны | двойные связи повышает текучесть м-ны | повышение t повышает текучесть м-ны | поля (patch)– мол-лы с разными св-вами могут объединяться в опред месте напр жесткая часть пм прикрепляет кл к субстрату | вязкая м-на-более проницаема

мембраны имеют в среднем один белок на 25 липидов. Внутренняя мембрана митохондрий имеет 1 белок не 15 липидов, мембрана миелина на 70 липидов. Полупроницаемость мембран, что само проходит что с затратой

энергии (см обзор Транспорт)

Компоненты мембран.

Мембраны газовых вакуолей некоторых бактерий состоят из белков и имеют толщину 2 нм. липиды 50 % m пм – фосфолипиды, холестерол, гликолипиды – амфипатические м-лы – гидрофильная и гидрофобная часть Длина гидрофобного хвоста 14-24 С (всегда четно) | цис-ненасыщ образ изгиб предающий рыхлость м-не | коэф. диффузии липидной м-лы D = 10-8 см2/с — ~2мкм/с | липиды вращ вокруг оси,

хвосты гибкие | в миелине ~1500 разных липидов |

ГЛИКОЛИПИДЫ — липиды, содержащие олигосахарид. Располагаются только в наружной мембране т.к. ферменты присоединяющие сахар находятся внутри

• аппарата Гольджи. Гликокаликс — мукополисахаридный
• — связывает холерный токсин).

наружный слой 3-10 нм в толщину, состаящий из остатков олигосахаридов, имеет отрицательный заряд и составляет ~10% от массы мембраны. Гликокаликс гидратирован, представляя собой желеподобную структуру. Галактоцереброзид-основной нейтральный гликолипид миелиновой оболочки аксонов нервных клеток. Ганглиозиды — гликолипиды с остатком сиаловой кислоты (GM1

ХОЛЕСТЕРОЛ придает механическую прочность бислою, заполняя свободное пространство, большую текучесть, способен свободно перетекать из слоя в слой, обеспечивая изменение формы мембран при сжатии и растяжении. Холестерол в некоторых мембранах может занимать до 25% по массе. Мембраны

прокариотических клеток не содержат холестерол.

ФОСФОЛИПИДЫ (фосфоглицериды) – глицерол, две гидроксильные группы которого этерифицированы жирными кислотами, третья фосфорной кислотой, этерифицированной спиртом*. Составляют основу мембран.

Состоят из гидрофильной (фосфат со спиртом) и гидрофобной (неполярный хвост жирной кислоты) частей.

Так как содержимое клетки имеет водную основу фосфолипиды ассоциируются в бислой, в котором гидрофобные хвосты направлены друг к другу.

1. фосфатидилхолин — холиновая группа, *(CH3)3N+-CH2CH2OH
2. фосфатидилэтаноламин — *H2N-CH2CH2OH
3. фосфатидилсерин
4. кардиолипин
5. фосфатидилинозитол
6. cфингомиелин – отсутствует в мембране митохондрий.
7. фосфатидилглицерин — *глицерин. Является
8. Содержится также в мембранах сине-зеленых водорослей.
9. Фосфолипазы — ферменты разрушающие фосфолипиды в различных местах, используются для анализа мембранных
10. липидов, некоторые получают из яда змей.

– в значит кол-вах в м-нах бактерий и во внутр м-не митох | главным фосфолипидом фотосинтетического аппарата всех растений.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ БЕЛКИ. Гликофорин А, содержащийся в мембранах эритроцитов, – первый изученный интегральный белок. Содержит 24 аминокислоты в а-спирали представляют собой трансмембранный домен:

• arg+-val-gln-leu-ala-his-his-phe-ser-glu-pro-glu-ile-thr-leu-ile-ile-phe-gly-val-met-ala-gly-val-ile-gly-thr-ile-leu-leu-ile-ser-thr-gly-ile-arg+
• протеолипиды
• протеогликаны
• интегральными белками.

Заряженные аминокислоты нейтрализуют друг друга His+ -Glu Монотопные белки пересекают мембрану 1 раз, политопные белки — несколько раз. Периферические белки – (спектрин- на внутр м-не, фибронектин-на внешней м-не) удерживаются ионными взаимод, соединены с

1. Монотопный белок, а-спиральный домен которого пронизывает мембрану. 2. Политопный белок, пронизывающий мембрану несколько раз. 3. Белок присоединенный к мембране через жирную кислоту. 4. Белок 5. Периферические белки не имеют гидрофобных областей, а содержат заряженные части взаимодействующие с другими белками или фосфатными группами фосфолипидов.. [Альбертс, 1994. T.2, P.360]

белки цитоскелета эритроцитов: полоса 1,2 спектрин (240-220кДа); п2.1,2.2-анкирины(200-210кДа); п3-главный анионно-обменный белок (93кДа)-анионный канал, обмен HCO3- на Cl- при выведении CO2; п4.1- белок связанный с о спектрином и актином; п4.2-N-миристилиновый белок связан с белком п3 и анкирином ; п4.9-актин-связывающий белок; п5- актин (43кДа).

Детергенты (SDS, тритонX-100) разрушают мембраны клеток. Внутренняя поверхность мембраны эритроцитов заряжена отрицательно из-за содержания фосфатидилсерина. Состав мембраны эритроцитов: гликолипиды-10%, холестерол-30%, фосфолипиды-60%: фосфатидилхолин-28%, фосфатидилэтаноламин-27%, сфингомиелин-26%, фосфатидилсерин-13%.

контактное торможение роста (density-dependent inhibition,

DDI) мутанты образуют опухоли.

Литература: 

Rees W.E. Life essay, 1996

Липиды мембран

Химический состав мембран.

Мембраны состоят из липидных и белковых молекул, относительное количество которых у разных мембран широко колеблется. Углеводы содержатся в форме гликопротеинов, гликолипидов и составляют 0,5%-10% веществ мембраны. Согласно жидкостно-мозаичной модели строения мембраны (Сенджер и Николсон, 1972г.

) основу мембраны составляет двойной липидный слой, в формировании которого участвуют фосфолипиды и гликолипиды. Липидный бислой образован двумя рядами липидов, гидрофобные радикалы которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы обращены наружу и контактируют с водной средой.

Белковые молекулы как бы растворены в липидном бислое и относительно свободно «плавают в липидном море в виде айсбергов на которых растут деревья гликокаликса».

Мембранные липиды – амфифильные молекулы, т.е. в молекуле есть как гидрофильные группы (полярные головки), так и алифатические радикалы (гидрофобные хвосты), самопроизвольно формирующие бислой, в котором хвосты липидов обращены друг к другу. Толщина одного липидного слоя 2,5 нм, из которых 1 нм приходится на головку и 1,5 нм на хвост.

В мембранах присутствуют три основных типа липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Среднее молярное отношение холестерол/фосфолипиды равно 0,3-0,4, но в плазматической мембране это соотношение гораздо выше (0,8-0,9). Наличие холестерола в мембранах уменьшает подвижность жирных кислот, снижает латеральную диффузию липидов и белков.

Фосфолипиды можно разделить на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды. Наиболее распространенные глицерофосфолипиды мембран – фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины. Каждый глицерофосфолипид, например фосфатидилхолин, представлен несколькими десятками фосфатидилхолинов, отличающихся друг от друга строением жирнокислотных остатков.

На долю глицерофосфолипидов приходится 2-8% всех фосфолипидов мембран. Наиболее распространенными являются фосфатидилинозитолы.

Специфические фосфолипиды внутренней мембраны митохондрий – кардиолипины (дифосфатидглицеролы), построенные на основе глицерола и двух остатков фосфатидной кислоты, составляют около 22% от всех фосфолипидов митохондриальных мембран.

В миелиновой оболочке нервных клеток в значительных количествах содержатся сфингомиелины.

Гликолипиды мембран представлены цереброзидами и ганглиозидами, в которых гидрофобная часть представлена церамидом.

Гидрофильная группа – углеводный остаток – гликозидной связью присоединен к гидроксильной группе первого углеродного атома церамида. В значительных количествах гликолипиды находятся в мебранах клеток мозга, эпителия и эритроцитов.

Ганглиозиды эритроцитов разных индивидуумов различаются строением олигосахаридных цепей и проявляют антигенные свойства.

Холестерол присутствует во всех мембранах животных клеток. Его молекула состоит из жесткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи, единственная гидроксильная группа является полярной головкой.

Жидкостно-мозаичная модель мембраны

В
1972 г. Сингер и Николсон (Singer, Nicolson)
предложили жидкостно-мозаичную модель
мембраны, согласно которой белковые
молекулы плавают в жидком фосфолипидном
бислое.

Они образуют в нем как бы
своеобразную мозаику, но поскольку
бислой этот жидкий, то и сам мозаичный
узор не жестко фиксирован; белки могут
менять в нем свое положение.

Покрывающая
клетку тонкая мембрана напоминает
пленку мыльного пузыря — она тоже все
время «переливается».

На
рисунке представлено плоскостное
изображение жидкостно-мозаичной
модели мембраны и ее трехмерная
модель.

Ниже
суммированы известные нам данные,
касающиеся строения и свойств клеточных
мембран.

1.
Толщина мембрансоставляет около
7 нм.

2.
Основная структура мембраны—
фосфолипидный бислой.

3.
Гидрофильные головы фосфолипидных
молекулобращены наружу — в сторону
водного содержимого клетки и в сторону
наружной водной среды.

4.
Гидрофобные хвостыобращены внутрь
— они образуют гидрофобную внутреннюю
часть бислоя.

5.
Фосфолипидынаходятся в жидком
состоянии и быстро диффундируют внутрибислоя— перемещаются в латеральном направлении.

6.
Жирные кислоты, образующие хвосты
фосфолипидных молекул, бывают насыщенными
и ненасыщенными. В ненасыщенных кислотах
имеются изломы, что делает упаковку
бислоя более рыхлой. Следовательно, чем
больше степень ненасыщенности, тем
более жидкую консистенцию имеет мембрана.

7.
Большая часть белков плавает в жидком
фосфолипидном бислое, образуя в нем
своеобразную мозаику, постоянно меняющую
свой узор.

8.
Белки сохраняют связь с мембраной,
поскольку в них есть участки, состоящие
из гидрофобных аминокислот, взаимодействующих
с гидрофобными хвостами фосфо-липидов;
вода из этих мест выталкивается. Другие
участки белков гидрофильны. Они обращены
либо к окружению клетки, либо к ее
содержимому, т. е. к водной среде.

9.
Некоторые мембранные белкилишь
частично погружены в фосфолипидный
бислой, тогда как другие пронизывают
его насквозь.

10.
К некоторым белкам и липидам
присоединены разветвленные олигосахаридные
цепочки, играющие роль антенн. Такие
соединения называются соответственно
гликопротеинами и гликолипидами.

11.
В мембранах содержится также холестерол.
Подобно ненасыщенным жирным кислотам
он нарушает плотную упаковку фосфолипидов
и делает их более жидкими. Это важно для
организмов, живущих в холодной среде,
где мембраны могли бы затвердевать.
Холестерол делает мембраны также более
гибкими и вместе с тем более прочными.
Без него они бы легко разрывались.

12.
Две стороны мембраны, наружная и
внутренняя, различаются и по составу,
и по функциям.

5)
Химический состав мембран. С помощью
световой и электронной микроскопии в
клетках выявлены разнообразные мембранные
структуры. Все они имеют сходный
химический состав и принцип организации,
но в зависимости от типа мембран и их
функций соотношение химических
компонентов и детали строения могут
отличаться.

Мембраны
состоят из липидов, белков и углеводов
(рис.16). Липиды составляют в среднем 40%
сухой массы мембран. Среди них преобладают
фосфолипиды (до 80%).

Основным
функциональным компонентом биологических
мембран являются белки. Но только
образовав прочные комплексы с липидами,
они способны проявлять активность.

Поверхностные
белки (около 30% от
общего количества мембранных белков)
размещены на наружной и внутренней
поверхностях мембран и связанные с
последними электрическими силами
непосредственно или через двухвалентные
катионы, преимущественно Са2 + и Mg2 +. Они
легко отделяются от мембран после
разрушения клеток.

Внутренние
белки (почти 70% общего
количества мембранных белков) погружены
в двойной слой липидов на разную глубину,
а в некоторых случаях пересекают мембрану
насквозь. Такие белки связывают обе
поверхности мембраны.

Углеводы
входят в состав мембран не самостоятельно,
а образуют комплексы с белками или
липидами.

Организация
биологических мембран. Сейчас общепринятой
является модель растворимо-мозаичной
строения мембран (рис.16).

Такое название
произошло от того факта, что около 30%
липидов тесно связаны с внутренними
белками, а остальное — находится в жидком
состоянии, где «плавают» липопротеиды.

Молекулы липидов размещены в виде
двойного слоя, их полярные гидрофильные
«головки» обращены к внешней и внутренней
сторон мембран, а гидрофобные неполярные
«хвосты» — внутрь.

Если
посмотреть на мембрану сверху, то она
напоминает мозаику, созданную полярными
«головками» липидов, поверхностными и
внутренними белками. Толщина мембран
варьирует в довольно широких пределах
в зависимости от их типа. Мембраны клеток
эукариот и прокариот сходны по строению.

Между
молекулами белков или их частями часто
существуют поры (канальцы), заполненные
водой.

Молекулы, входящие в состав
мембран, способные перемещаться,
благодаря чему мембраны быстро
возобновляются за незначительных
повреждений, образуются над оголенными
участками цитоплазмы, могут легко
сливаться друг с другом, растягиваться
и сжиматься, например, при движении
клеток или изменения их формы.