prosdo.ru
добавить свой файл
1
Лекция №4 БИОМЕМБРАНЫ: СТРУКТУРА И УЧАСТИЕ В МЕЖКЛЕТОЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ.
План

1. Структура биомембран

2. Перенос веществ через мембраны

3. Адгезивная функция мембран
1. Структура биомембран

В клетке располагается много разных мембран: плазмолемма, внутренняя и наружная мембраны ядерной оболочки, мембраны органелл.

Общее их свойство заключается в том, что они построены по одному и тому же принципу.

В основе биомембраны – двойной слой амфифильных липидов (липидный бислой). Каждая молекула мембранного липида имеет гидрофильную «головку» и два гидрофобных «хвоста». Каждый из последних представляет собой длинную углеводородную цепь (причем одна из них придельная, а другая непридельная).

В водной среде гидрофобные части молекул ориентированы друг к другу, гидрофильные - к воде.

Кроме того, в состав мембран входят белки: интегральные, полуинтегральные, периферические. Их контакт с липидами происходит по тому же принципу: с гидрофобными частями липидов взаимодействуют гидрофобные радикалы аминокислот, а с гидрофильными «головками» - полярные и заряженные радикалы.

Кроме липидов и белков, во многих мембранах обнаруживаются углеводы. Но не как самостоятельные компоненты, а как составные части соответствующих липидов и белков.

Все эти молекулы объединяются в мембраны, как считают, путем самосборки.

Под световым микроскопом мембраны неразличимы. В электронной микроскопии они выглядят в виде срединной светлой полосы и двух периферических электроноплотных полос. Светлая полоса – это гидрофобная часть липидного бислоя; темные полосы образованы гидрофильными «головками» липидов и белками.
Количественные характеристики.

Количественные показатели, характеризующие содержание и размеры мембранных молекул.

а) Соотношение по общей массе липидов и белков в мембранах обычно близко к 1:1, но иногда варьирует от 4:1 до 1:4.

б) Липиды низкомолекулярнчые вещества, молекулярная масса большинства мембранных липидов – 740 Да, а для холестерина – почти вдвое ниже.

в) Количество липидных молекул в мембранной клетки на два порядка больше, чем количество молекул белков.

г) Значительно различается и площадь мембранной поверхности, приходящаяся на отдельные молекулы.

д) Толщина мембраны во многом определяется продольными размерами липидных молекул.

е) На плазмолемме располагается гликокаликс - совокупность различных белков, связанных с плазмолеммой.
Основные свойства мембран.

1) Замкнутость. Липидный бислои (и мембраны) всегда замыкаются на себя с образованием полностью отграниченных отсеков;

2) Латеральная подвижность. Компоненты мембраны могут перемещаться в пределах своего слоя. Мембраны обладают свойствами двумерных жидкостей, поэтому модель строения биомембран называется жидкостно-мозаичной. Кроме латеральной подвижности существует так же вращательные движения, меняя свою ориентацию относительно поверхностей мембраны;

3) Асимметрия. Наружная и внутренняя поверхности мембраны обычно различаются по своему составу:

а) углеводные компоненты, находятся с внешней поверхности плазмолеммы;

б) многие белки расположены с наружной, а другие – только с внутренней стороны;

в) различается и липидный состав слоев бислоя.
Мембранные липиды.

В состав мембран входят липиды следующих классов:

1) фосфолипиды (ФЛ)

2) сфинголипиды (СЛ)

3) гликолипиды (ГЛ)

4) стероиды или холестерин (ХС)

У фосфолипидов в состав головки обычно входят последовательно связанные друг с другом остатки азотистого основания, фосфатные группы и трехатомного спирта глицерина. Остатки же жирных кислот, образующие гидрофобные хвосты, соединены с глицерином.

У сфинголипидов вместо глицерина и одной из жирных кислот они включают сфингозин – это двухатомный аминоспирт.

Гликолипиды тоже содержат остаток сфингозина. Но в состав гидрофильной «головки» в место азотистого основания и фосфатной группы входит какой-либо углевод.

Холестерин представляет собой вытянутую систему 4-х углеводородных циклов и углеводородную боковую цепь. Поэтому, за исключением одной гидроксигруппы, холестерин – гидрофобное соединение.

Влияние липидного состава на свойства мембран.

  1. Влияние фосфолипидов и сфинголипидов. По мере увеличения содержания в мембране ФЛ и СЛ возрастают все показатели ее лабильности:

- повышается латеральная диффузия компонентов мембраны

- увеличивается диффузия соответствующих веществ

- повышается способность мембран к разрыву

  1. Влияние холестерина и гликолипида.

- вносят дезорганизацию в расположение углеводородных «хвостов»

- препятствуют активному перемещению липидов
Различные способы «упаковки» амфифильных липидов.

Образование бислоя – это способ «упаковки» в водном растворе амфифильных липидов. Когда такой бислой формируется в экспериментальных условиях, образуются липосомы - это сферические пузырьки со стенкой из липидного бислоя. Внутренняя и наружная поверхности липосом являются полярными.

Возможна и другая организация амфифильных липидов – объединение их в мицеллы. Мицеллы – это сферические частицы, образованы только одним слоем липидов. Внутренняя среда их гидрофобная.

Одна форма организации амфифильных липидов может переходить одна в другую. Липосомы - для переноса водоростворимых, а мицеллы - для жирорастворимых веществ.
Белки мембран

Классификация по функциональной роли.

  1. Структурные белки.

а) придают клетке и органеллам определенную форму;

б) придают мембране те или иные механические свойства;

в) обеспечивают связь мембраны с цитоскелетом или с хромосомами.

  1. Транспортные белки.

  2. Белки, обеспечивающие непосредственное межклеточное взаимодействие.

а) адгезивные белки необходимы для связывания клеток друг с другом или неклеточными структурами;

б) другие белки участвуют в образовании специализированных межклеточных контактов.

  1. Белки, участвующие в передаче сигналов.

а) рецепторные белки,

б) белки эффекторного устройства,

в) фермент иноктивации медиатора.
2. Перенос веществ через мембрану.

Низкомолекулярные соединения.

Три способа переноса:

  1. Простая диффузия. В этом случае вещество без чьей-либо помощи, диффундирует через мембрану из компартмента с большей концентрацией в компартмент с меньшей концентрации.

  2. Облегченная диффузия. Способ переноса по направлению градиента своей концентрации с помощью специального транспортного белка – транслоказа. Практически всегда с помощью транслоказы переносятся вещества не способные к простой диффузии через мембрану. Исключение: перенос воды через мембраны почечных канальцев и секреторных эпителиальных клеток.

  3. Активный транспорт. Вещество проходит против их градиента своей концентрации с затратой энергии АТФ.


Конкретные системы низкомолекулярных веществ. Na+, K+- насос.

Переносит ионы Na+ и K+ против градиента их концентрации: ионы Na+ - из клетки, а ионы K+ - в клетку. Именно благодаря деятельности этого насоса создается резко ассиметричное распределение ионов между клеточной и внутриклеточной средой. Концентрация ионов Na+ значительно выше вне клеток, а ионов К+ - внутри клеток. За счет распада одной молекулы АТФ происходит выкачивание 3-х ионов Na+ и одновременное закачивание в клетку 2-х ионов К+.
К+- каналы.

Обеспечивают облегченную диффузию одновалентных катионов. Содержатся в плазмолемме многих клеток и постоянно «открыты». Благодаря этому, через них возвращается во внутриклеточную среду некоторое количество ионов К+ – из-за наличия очень сильного концентрационного градиента, созданного Nа+, К+- насосом.
Nа+- каналы.

Имеются лишь в тех мембранах, которые способны к возбуждению. Это плазмолемма нервных клеток, миоцитов и мышечных волокон, сперматозоидов, сенсорных клеток органов чувств. Nа+-каналы функционируют не постоянно, а лишь при определенном состоянии клетки. Nа+ – каналы – ключевой участник таких процессов, как возбуждение мембраны (вне синапса) и проведение возбуждения по мембране.


Катионные каналы и холинорецепторы.

Располагаются в постсинаптической мембране холинергических синапсах, содержащих н-холинорецепторы. Такие синапсы содержатся в вегетативных ганглиях – как парасимпатических, так и симпатических, а также в окончаниях двигательных нервов на скелетных мышцах. Все они возбуждаются не только ацетилхолином, но и никотином. Данные белки имеют сложное субъединичное строение. Всего в молекуле – 6 (5) субъединиц трех видов общей массой 280 кДа.

В процессе синоптической передачи с молекулами холина – рецептора связывается по 2 молекулы ацетилхолина. Это приводит к изменению конформации белковых молекул, в ходе чего диссоциирует большая часть ионов Са2+ и открываются катионные каналы. Ионы Nа+ начинают интенсивно поступать внутрь клетки, а ионы К+ – выходит во внешнюю среду.

В итоге трансмембранный потенциал постсинаптической мембраны снижается и это оказывается достаточно, чтобы запустить процесс возбуждения в близлежащих участках плазмолеммы, там, где уже имеются Nа+-каналы.

Прекращение действия медиатора:

1) разрушение свободного медиатора специальным ферментом-ацетлхолинэстеразой;

2) десенсибилизация рецептора. При достаточно длительном воздействии медиатора на рецептор последний просто теряет к нему чувствительность.
Система транспорта ионов Са2+ в поперечнополосатой мышечной ткани.

В цитоплазме клеток - крайне низкая концентрация свободных ионов Са2+. В поперечнополосатой мышечной ткани это достигается за счет деятельности 2 насосов:

- Nа+ - зависимый Са2+ -насос - находится в плазмолемме и откачивает ионы Са2+ во внеклеточную среду. По всей видимости, происходит обмен каждого иона Са2+ на 2 иона Nа+;

- Са2+- насос. Локализован в мембранах саркоплазматического ретикулума. Данный насос закачивает ионы Са2+ из саркоплазмы в цистерны саркоплазматического ретикулума, где они связываются с белком кальсеквестрином.
Антибиотики как переносчики ионов.

Имеются вещества, которые не являются природными компонентами мембран, но могут облегчать проникновение через них определенных ионов. В основном, это антибиотики. По своей транспортной способности они подразделяются на 2 группы:

- подвижные переносчики, проходящие с ионом через мембрану;

- каналообразователи - образуют в мембране канал, через который могут проходить ионы.

а) Подвижные переносчики (валиномицин). Представляют собой замкнутые цепи, состоящие из мономеров различной природы. Комплекс антибиотика с ионом проходит через мембрану путем простой диффузии. Свободный антибиотик способен диффундировать обратно, связать очередной ион и тоже перенести его через мембрану. И так много раз.

б) Каналообразователи (грамицидин А). Молекулы этого соединения обратимо объединяются в спирализованные димеры, которые способны встраиваться в мембраны.
Транспорт глюкозы в почках.

Первые порции реабсорбируемой глюкозы почти не встречают концентрационного барьера, так как концентрации в исходном фильтрате и плазме крови практически одинаковы. По мере реабсорбции концентрация глюкозы в канальцах понижается, т.е идет против градиента своей концентрации. Через апикальную мембрану эпителиоцитов канальца (т.е. внутрь этих клеток) глюкоза проходит путем симпорта с ионами Nа+. Соответствующую транспортную систему можно обозначить как Na+ - зависимый глюкозный насос. Для обеспечения второй стадии транспорта необходимо, чтобы насос накачивал глюкозу в клетки до концентрации, которая была бы заметно выше, чем в крови. За счет энергии 1 молекулы АТФ в эпителиоцит попадают 3 молекулы глюкозы. Затем глюкоза проходит через плазмолемму с базальной стороны клетки. Здесь транспорт является пассивным, т.е. он осуществляется путем облегченной диффузии.
Перенос через мембраны частиц и высокомолекулярных соединений.

По направлению транспорта и по характеру переносимых веществ различают следующие процессы:

1) Эндоцитоз – перенос частиц в клетку:

а) пиноцитоз - захват и поглощение клеткой растворимых макромолекулярных соединений;

б) фагоцитоз - захват и поглощение клеткой в отношении твердых частиц;

в) эндоцитоз, опосредованный рецепторами, - здесь поглощаемый субстрат предварительно специфически связывается с поверхностными рецепторами плазмолеммы.

Во всех перечисленных случаях в месте проникновения субстрата вначале происходит впячивание плазмолеммы в цитоплазму. Затем оно все углубляется, пока не превращается в мембранный пузырек, содержащий субстрат и полностью находящийся в цитоплазме.

2) Экзоцитоз – перенос частиц и крупных соединений из клетки:

а) секреция - выведение из клетки растворимых соединений, которое является одной из функций данной клетки. Секреция возможна как низко-, так и высокомолекулярных соединений. Накопление веществ в клетке происходит в виде секреторных пузырьков, которые сливаются с плазмолеммой и их содержимое оказывается вне клетки. Реже секреция совершается по типу облегченной диффузии или активного транспорта;

б) экскреция - удаление из клетки твердых частиц, механизм схож с секрецией;

в) рекреция – это перенос твердых веществ через клетку; фактически здесь сочетаются фагоцитоз и экскреция.


3. Адгезивная функция мембран.

Адгезивные белки можно считать клеточными рецепторами, но не все клеточные рецепторы являются адгезивными белками. Независимо от функции рецептора вещество, с которым он взаимодействует, называется лигандом. Для адгезивных белков лиганд - соответствующий компонент мембраны другой клетки или внеклеточного матрикса.

Среди известных на данный момент адгезивных белков различают семейства:

- интегрины;

- селектины;

- иммуноглобулины;

- кадгерины.

Интегрины - это интегральные белки гетеродимерной структуры αiβj. Известно более 10 разных видов субъединицы α и около 15 видов субъединицы β. В каждом из них по три домена:

- Внутриклеточные домены интегринов участвуют в фиксации цитоскелета. Выполняют структурную функцию.

- Внеклеточные домены отвечают за узнавание специфических лигандов и адгезию с ними.

- Мембранный.

Типы β-субъединиц белков:

- β1-интегрины обнаружены в плазмолемме лимфоцитов и тромбоцитов.

- β2-интегрнам относится всего три белка. Они выявлены в лимфоцитах, гранулоцитах и моноцитах.

- β3-интегрины обнаруживаются на поверхности ряда лейкоцитов и активированных тромбоцитов.

Селектины представляют собой мономеры. Название происходит от того факта, что N-концевой домен обладает свойствами лектинов.

Лектины-группа белков, которые имеют специфическое сродство к тому или иному концевому моносахариду олигосахаридных цепей. Таким образом, благодаря лектиновому домену, селектины узнают определенные углеводные компоненты на поверхности клеток. Среди представителей селектинов наиболее известны три белка: L-, P-, и E-селектины. L-cелектины обнаруживаются на поверхности различных лейкоцитов и участвуют в их взаимодействии с гликопротеинами эндотелия. Р- и Е-селектины обнаруживаются на поверхности не лейкоцитов, а эндотелия.
^ Адгезивные имунноглобулины имеют характерную олигомерную структуру. Находятся на поверхности лимфоидных и ряда других клеток, выступая в качестве рецепторов.

^ Кадгерины и «внесистемные» адгезивные белк. Адгезивная способность кадгеринов проявляется в присутствии ионов Са2+. Функциональная роль - участие в формировании относительно постоянных клеточных контактов в эпителиальной, нервной и мышечной тканях.

Благодаря своему многообразию адгезивные белки обеспечивают множество упорядочных и сложных процессов.
Хоминг Т-лимфоцитов.

Хоминг лимфоцитов – это выход последних из кровеносного русла в лимфоидную ткань. В лимфоидной ткани Т-клетки расположены в Т-зонах:

- в лимфоузлах это паракортикальная зона,

- в белой пульпе селезенке – периартериальные влагалища и периартериальные зоны фолликулов,

- в лимфоидной ткани слизистых оболочек – межфолликулярные скопления лимфоцитов.

Поэтому лимфоциты в крови должны узнавать не просто лимфоидную ткань, но еще и «свою» зону в этой ткани. Хоминг обеспечивается специфическим взаимодействием хоминговых рецепторов лимфоцитов и сосудистых адрессинов эндотелеоцитов.
Механизм миграции Т клеток.

Стадии миграции:

  1. Подготовительная. В посткапиллярных венулах с высоким эндотелием лимфоциты постоянно сталкиваются друг с другом и со стенками сосудов.

  2. Первичная слабая адгезия. Происходит специфическое взаимодействие хоминговых рецепторов и сосудистых адрессинов.

  3. Стимуляция Т-лимфоцитов, приводящая к вовлечению во взаимодействие других адгезивных белков.

4. Ослабление адгезивной силы.

5. Проникновение Т- клеток через эндотелий и базальную мембрану.
Воспаление.

Два ведущих явления: сосудистая реакция и активный выход лейкоцитов. Медиаторы воспаления – сигнальные вещества, непосредственно «запускающие» воспалительный процесс. Это гистамин, тромбин, интерлейкин-1.

Клетками - мишенями для медиаторов воспаления являются эндотелеоциты мелких сосудов в очаге воспаления.

Одним из ключевых внутриклеточных событий является повышение концентрации ионов Са2+ в эндотелиоцитах.

Это, в свою очередь, вызывает ряд следствий:

1. Эндотелиоциты начинают синтезировать и выделять два сосудорасширяющих фактора (простациклин, эндотелиальный фактор релаксации).

2. Увеличение в них концентрации Са2+ под действием медиаторов воспаления приводит также к изменению их собственной структуры.

3. К миграции лейкоцитов приводит «быстрые» (гистомин, тромбин) и «медленные» (интерлейкин-1) медиаторы воспаления.
Иммунная реакция.

Антигены – чужеродные белки, полисахариды, пептиды и т.д. Антигены главного комплекса гистосовместимости или сокращенно «антигены ГКГ». Имеют два класса.

Класс антиген ГКГ-I содержится на поверхности ядросодержащий соматической клетки организма. Клетки разных людей различаются по набору антигенов ГКГ-I.

Клетка распознается как чужая если:

- она трансплантант;

- она подверглась малигнизации;

- с одним из антигенов ГКГ-I связался вирус;

- если эта клетка крупного микроорганизма.

Во всех перечисленных случаях клетка атакуется специальными лимфоцитами – киллерами.
Антигены ГКГ-II и гуморальная иммунная реакция.

Поверхностные белки «антигены» ГКГ-II образуются лишь в антигенпредставляющих клетках - B-лимфоцитах, макрофагах, и особых эпителиоцитах (М-клетках).