Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки

Введение

клетка прокариот эукариот молекулярный мембранный

Наука, изучающая строение и функции клеток, процессы их воспроизводства, роста, регенерации, приспособления к условиям внешней среды и выполнению функций называется цитология.

Клетка - это элементарная структурная единица организма, которой присущи все черты живого: обмен веществ и энергии, размножение и рост, раздражимость, хранение и передача генетической информации. Она может существовать как самостоятельно (одноклеточные организмы), так и в составе тканей многоклеточных животных и растений.

1. Клеточная теория

Клеточная теория является одним из наиболее важных открытий в биологии. Она дала толчок к развитию цитологии, гистологии и эмбриологии.

Клеточная теория была сформулирована в 1838 году немецкими учеными М.Шлейденом и Т.Шванном, дальнейшее ее развитие связано с именем Р.Вирхова (1859). Ее разработке предшествовали работы А.Дютраше, Ф.Распайля и Т.Тюрпена (1824-27гг), которые предположили, что пузырьки и мешочки (то есть, клетки) являются элементарными структурными единицами животных и растительных тканей. Чешский исследователь Я.Пуркинье в 1837 году создал свою теорию «ядросодержащих зернышек». Большой вклад внес русский гистолог П.Ф.Горянинов и др. М.Шлейден сформулировал теорию цитогенеза, в которой связал возникновение новых клеток с содержимым клетки и прежде всего ядра (1838). Т.Шванн (1839),развивая теорию цитогенеза показал, что в этом явлении скрывается общий принцип развития, что говорит о сходстве клеток всех тканей и органов. Р.Вирхов пересмотрел теорию цитогенеза и выдвинул новое положение: «всякая клетка из клетки».

Основные положения современной клеточной теории состоят в следующем:

1. Клетка является наименьшей единицей живого. Жизнь, какие бы сложные или простые формы она не принимала, в ее структурном, функциональном и генетическом отношении обеспечивается только клеткой.

2. Клетки разных организмов имеют единый план строения.

3. Размножение клеток происходит путем деления материнской клетки (omnia cellula e cellula - всякая клетка из клетки).

4.Многоклеточные организмы состоят из сложных ансамблей клеток и их производных.

Значение клеточной теории состоит в том, что она:

1. явилась фундаментом для развития многих биологических дисциплин - цитологии, гистологии, эмбриологии, физиологии, патологии;

2. позволила понять механизмы онтогенеза;

3. явилась основой для материалистического понимания жизни;

4. явилась основой для объяснения эволюции организмов.

1.1 Типы клеточной организации

Различают 2 типа организации клеток: прокариотический и эукариотический.

Прокариотические клетки не имеют оформленного ядра; генетический материал не отделен от цитоплазмы (рис.). Генетическая информация хранится в кольцевой двунитчатой ДНК, не содержащей гистонов и называемой нуклеоидом. Отсутствует система мембран. Из органелл имеются рибосомы и мезосомы - сферические мембранные структуры, закрученные в завиток. Функционально они эквивалентны митохондриям эукариотических клеток; участвуют в окислительно-восстановительных реакциях бактерий и процессах деления. Цитоплазмапрокариот ограничена оболочкой, состоящей из биомембран, клеточной стенки, содержащей полисахариды сложного строения, а у бактерий, так же и капсулы, состоящие из слизи. Аппарат клеточного деления - клеточный центр - отсутствует.

К прокариотам относятся микоплазмы, бактерии и сине-зеленые водоросли. Размеры прокариотических клеток ограничены 0,5 - 3,0 мкм.

Клетки остальных живых организмов (растения,животные) относят к эукариотическому типу клеточной организации, у которого наследственный аппарат отделен от цитоплазмы специализированной ядерной мембраной. Таким образом, эукариотические клетки имеют оформленное ядро, где кроме ядерной оболочки (кариолеммы) обнаруживаются ядрышки, хроматин и ядерный сок (кариоплазма). Различают два подтипа организации эукариотических клеток: 1 - клетки простейших организмов, которые являются в структурном отношении клеткой, а в физиологическом - полноценной особью, в связи с чем, они имеют ряд образований, функционирующих как органы и системы органов многоклеточного организма. Это цитостом, цитофаринг, порошица инфузорий, выполняющих функцию пищеварительной системы; сократительные вакуоли являющимися структурами, аналогичными выделительной системе, а также жгутики и реснички, участвующие в движении; 2 - клетки многоклеточных организмов, имеющих общий план строения, но будучи только частью многоклеточного организма, выполняют разнообразные функции и имеют особенности строения. Эукариотическая клетка состоит из следующих компонентов: клеточной оболочки, цитоплазмы и ядра (табл.1).

Клеточная оболочка животной клетки образована гликокаликсом, цитоплазматической мембраной (плазмолемма) и подмембранным слоем опорно-сократительных структур.

Цитоплазма состоит из гиалоплазмы, органелл и включений.

Ядро построено из ядерной оболочки (кариолеммы), ядрышка, хроматина и ядерного сока (кариоплазмы).

Размеры эукариотических клеток варьируют от нескольких мкм до десятков сантиметров.

Клетки растительных и животных тканей имеют типичный план строения, обеспечивающий выполнение функций определенной ткани, в состав которой они входят.

Организм взрослого человека состоит из примерно 10¹³ клеток, которые, за исключением мутантных клеток, содержат абсолютно одинаковый набор генов. Широкое разнообразие фенотипов этих клеток обусловлено различной комбинацией экспрессируемых генов в различных типах клеток. Репрессия и активация генов происходит в процессе развития организма; часто оба процесса продолжаются в течении всей жизни уже дифференцированной клетки. Часть генов в такой клетке необратимо выключается и никогда не экспрессируются в клетке данного типа. Другие гены транскрибируются постоянно. Такое различие по степени и скорости экспрессии генов в клетке в процессе ее развития приводит к приобретению клеткой специфической дифференциации и специализации. У человека различают около 200 типов клеток, имеющих несомненно общие черты строения, но различающихся по строению и функциям, которые сведены в сводную таблицу «Типы клеток взрослого человека»(табл.). Все разнообразие клеток образует 4 типа основных клеток и соответственно 4 типа тканей человека:

1. Клетки эпителия - эпителиоциты характеризуются полярностью, то есть ее поверхности(апикальная и базолатеральная) различаются по строению. Если эпителий многослойный, то полярностью обладают его слои: поверхностный и базальный. Главные их функции - пограничная, секреторная, экскреторная (выделительная), всасывательная. Для них характерна высокая степень регенерации.

2. Клетки соединительной ткани и крови - выполняют опорную, соединительную, защитную и питательную и другие функции. Одной из функций клеток соединительной ткани является синтез веществ внеклеточного матрикса - белков (коллаген, фибронектин, ламинин, эластин, фибриллин и др.).

3. Клетки мышечной ткани - миоциты выполняют функцию сокращения благодаря наличию сократительных белков актина, миозина и дистрофина, которые обеспечивают на молекулярном уровне способ передвижения. Клетки скелетной ткани образуют синцитий (многоядерная клетка) у скелетных мышц и не формируют его у гладкой мускулатуры. Сократительные белки организованы в правильную линейную структуру называемую саркомер.

4. Клетки нервной ткани - нейроны обладают свойством раздражимости и способности проводить электрические импульсы. Эти клетки составляют основную коммуникативную сеть организма. Нейроны состоят из тела и отростков: аксонов и дендритов. Аксоны заканчиваются межнейронными соединениями, называемыми синапсами. Электрические импульсы передаются от одного нейрона к следующему путем секреции химических веществ медиаторов (ацетилхолин). Вторая группа клеток нервной ткани - глиоциты, образуют глию. Клетки глии обеспечивают опорную функцию, разделяют нейроны, продуцируют миелин (оболочка нервов), участвуют в образовании непроницаемого клеточного барьера между головным мозгом и капиллярами (гематоэнцефалический барьер).

1.2 Структурно-функциональная и молекулярная организация эукариотической клетки

Эукариотическая клетка состоит, как было сказано, выше из трех основных частей: клеточной оболочки, цитоплазмы и ядра. Высокая степень упорядоченности внутреннего содержимого клетки достигается путем разделения ее объема на отсеки (ячейки), которые различаются по химическому составу и процессам, происходящим в них. Такое разделение называется компартмента -лизацией и обеспечивается биомембранами клетки. Каждый отсек (компартмен) является органеллой или ее частью. Биомембраны выполняют ряд функций: барьерную, регуляцию транспорта веществ, обеспечение избирательной проницаемости и пр. Молекулярный состав мембран, набор соединений и ионов на ее поверхности различаются от структуры к структуре, что обеспечивает функциональную специализацию мембран клетки.

Клеточная оболочка.

Клеточная оболочка животной клетки состоит из:

1.основной части - цитоплазматической биомембраны (плазмолеммы), которая является наружной и самой толстой из всех биомембран клетки (7,5 - 11 нм);

2.гликокаликса;

3.подмембранного слоя опорно-сократительных структур.

Биомембраны. Структура и функции.

Биомембраны (рис.) - это липопротеидные образования, которые ограничивают клетку снаружи и формируют некоторые органеллы, а также ядерную оболочку - кариолемму.

Различают несколько типов мембран, отличающихся по химическому составу (табл.), размерам и функциям , но имеющих единый план строения (рис.).

1. Плазмолемма (наружная мембрана) - окружает клетку, изолируя ее от других клеток и внеклеточного вещества, определяет ее размеры, обеспечивает транспорт веществ в клетку и из нее, поддерживает разницу концентраций ионов по обе стороны мембраны, участвует в формировании межклеточных контактов и передаче сигналов.

2. Кариолемма или ядерная оболочка - состоит из двух мембран, имеет поры, обеспечивает транспорт веществ в ядро из цитоплазмы и из ядра в цитоплазму (РНК, регуляторные белки и пр.). Внутри мембраны имеются специальные белки для связи с белками ядерного матрикса - ламинами (играют важную роль в растворении ядерной оболочки в процессе митоза)

3. Мембрана эндоплазматической сети - мембраны шероховатой эндоплазматической сети несут рибосомы , которые обеспечивают синтез белков мембран, эдоплазматической сети, аппарата Гольджи, лизосом и секретируемых белков. На мембранах гладкой ЭПС завершается синтез холестерола, фосфолипидов и др. мембранных сложных липидов.

4. Мембрана аппарата Гольджи - белки мембран аппарата Гольджи принимают участие в завершении образования сложных белков - гликопротеинов. Кроме того, аппарат Гольджи принимает участие в модификации, сортировке белков, с последующим направлением их в составе транспортных пузырьков в соответствующие органеллы и компартменты клетки.

5. Мембрана митохондрий - является двойной мембраной. Наружная мембрана обеспечивает транспорт ионов, мелких молекул (до 10 кДа), при участии белка мембраны - порина; внутренняя мембрана содержит 70% белков, обеспечивающих каталитическую и транспортную функции, а также - синтез АТФ.

6. Мембрана лизосомы - мембраны лизосом изолируют ферменты, обеспечивающие распад белков от цитоплазмы; содержат белки (АТФ-зависимая протонная помпа), поддерживающие кислотную среду в лизосоме, необходимую для протеолитического действия гидролитических ферментов и транспортные белки, удаляющие продукты распадыа из лизосом. Белки лизосомных мембран на внутренней поверхности имеют сильную степенью гликозилирования , что защищает их от действия протеаз самой органеллы .

Основными химическими компонентами мембран являются липиды (40%), белки (50%) и углеводы (10%).

В основе структуры биомембран - двойной слой липидов, в который встроены молекулы белка, насквозь пронизывая его или лишь связываясь с одной из поверхностей мембран (рис.). Липиды выполняют главную роль в образовании мембран, определяя ее форму и физико-химические свойства.

1.3 Липиды мембран

Молекулы липидов являются амфифильными (рис.), то есть, каждая молекула липида имеет гидрофильную (растворимую в воде) «головку» и два гидрофобных (нерастворимых в воде) «хвоста» (рис.). Молекулы «хвоста» представляют собой длинную углеводородную цепь.

В состав мембран входят липиды следующих классов: фосфолипиды, сфинголипиды, гликолипиды, стероиды. У большинства эукариотических клеток они составляют 30-70% массы мембран.

Фосфолипиды (рис.) - относятся к производным фосфатидной кислоты и являются основным классом липидов мембран; составляют 50-90% от общего числа липидов . В состав «головки» входят остатки азотистого основания(холин, коламин, серин), фосфатная группа и глицерин, с которым связаны остатки двух жирных кислот цепей «хвоста»: олеиновой и пальмитиновой. Из мембранных фосфолипидов высвобождается под действием фосфолипазыА арахидоновая кислота, являющаяся предшественником биологически активных и гормоноподобных веществ, участвующих в передаче сигналов как медиаторы, вазоактивные факторы, вторичные посредники. Из арахидиновой кислоты (С₂₀ - полиненасыщенная жирная кислота) образуются эйкозаноиды: простагландины, тромбоксаны, лейкотриены, которые участвуют в:

1 -развитии аномальных воспалительных процессов (ревматоидный артрит) и псореаза;

2 - болевых и температурных реакциях;

3 - образовании тромбов;

4 - регуляции сокращения матки;

5 - сужение бронхов и др.;

6 - регуляции цикла сна и бодрствования;

7 - расширении сосудов и регуляции артериального давления.

В мембранах клеток представлено большое количество разных видов фосфолипидов, распределенных неравномерно по разным клеточным мембранам (табл.).

Фосфатидилхолины (лецитин) являются важнейшими из фосфолипидов и составляет 50% от суммы всех фосфолипидов мембран. Им принадлежит главная роль в образовании мембран и липопротеинов; они является предшественниками арахидоновой клетки.

Фосфатидилсерины служат регуляторами активности многих ферментов, локализованных на мембранах клеток.

Фосфатидилинозитолы - содержат в своем составе вместо азотсодержащей группы остаток инозита (шестиатомный циклический спирт). В мембранах их содержание достигает 10%. Липиды этого семейства непосредственно учавствуют в передаче некоторых сигналов клетку.

Кардиолипины - липиды , образующиеся из двух молекул фосфатидной кислоты (фосфолипид без азотистого основания), связанных друг с другом через глицерин. Кардиолипины имеют 4 углеводородных «хвоста» и более объемную «головку» (рис.). Содержание кардиолипинов в мембранах митохондрий достигает 20% от всех фосфолипидов.

Сфинголипиды (рис.) - второй основной тип липидов мембран, у которых вместо глицерина и одной цепи «хвоста» имеется сфингозин (двухатомный аминоспирт).Типичный представитель сфинголипидов - сфингомиелин, который является основой миелина окружающего и изолирующего нервные волокна,мембран эритроцитов, клеток почек и др.тканей.

Гликолипиды (рис.) - подсемейство сфинголипидов; отличаются от сфинголипидов тем, что вместо остатка азотистого основания и фосфатной группы входит углевод: если углевод простой (глюкоза), то образуется группа цереброзидов, если сложный - ганглиозиды. Жирные кислоты «хвоста» - нервоновая или цереброновая. Цереброзиды входят в состав мембран нейронов. Ганглиозиды являются: 1- специфическими рецепторами для различных молекул; 2 - специфическими детерминаторами межклеточного взаимодействия, так как играют важную роль в процессах роста и дифференцировки ткани; 3 - нарушение обмена ганглиозидов приводит к аутосомно-рецессивному заболеванию - ганглиозидозу; 4 - определяют различие между антигенами групп крови А и В; 5 - накопление ганглиозидов, связанное с неспособностью клетки расщеплять их, приводит к возникновению заболеваний - мукополисахаридозов (табл.).

Нарушение обмена сфинголипидов и их подсемейств вызывает целый ряд заболеваний, связанных с развитием умственной отсталости, патологии нервов, дегенерации головного мозга, мышечной спастичности, нарушение строения скелета, дегенерацию длинных костей (болезни Тея-Сакса, Гоше, Фабри и др.), в основном обусловленных дефицитом ферментов, расщепляющих эти липиды (табл.).

Холестерол (рис.) - третий класс основных липидов мембран, относится к стероидам и является полициклическим спиртом. Состоит из 4 углеводородных колец, обозначаемых буквами А,В,С,Д, разветвленной боковой цепи из 8 углеродных атомов и гидроксильной группы. Он является предшественником всех стероидных гормонов и из него образуются желчные кислоты. Холестерол - гидрофобное соединение, находится в срединной зоне бислоя между цепями «хвоста»; обычно скапливается в наружном слое, утолщая его и увеличивая жесткость мембран. Холестерол составляет 40% липидов мембран эритроцитов, много его в нервной ткани. Наряду с полезной биологической ролью, при нарушении обмена липидов, холестерол может стать причиной возникновения атеросклероза.

Молекулы липидов являются, как говорилось выше, амфифильными молекулами, вследствие этого, в водной среде они принимают многомолекулярные конфигурации с упорядоченным расположением молекул: гидрофильные головки контактируют с водой, а гидрофобные концы друг с другом и гидрофобными веществами - маслом, воздухом и неамфифильными липидами:

а) на границе вода - масло или вода - воздух липиды образуют монослой, в котором головки контактируют с водой, а хвосты обращены к воздуху (рис.);

б) если монослой, погрузить в воду, то неполярные гидрофобные хвосты объединяются друг с другом,.отделяясь от водной среды, что приводит к замыканию монослою с образованием сферических пузырков - мицелл (рис.), в которых головки обращены наружу, а хвосты внутрь. Мицеллы образуются также в водной среда, содержащей капли масел (рис.); в этом случае монослой окружает каплю масла, головки в мицелле обращены к воде, а хвосты к маслу;

в) на границе двух жидкостей (например: вода-вода) липиды обладают способностью образовывать двуслойные структуры - липидный бислой; гидрофобные части (хвосты) вытесняются из водной среды и взаимодействуют друг с другом, а гидрофильные контактируют с водой. Таким образом, образуется плоский бислой, в котором головки обращены к воде, а хвосты друг к другу (рис.).

Бислой, погруженный в водную среду спонтанно смыкается, образуя везикулы - пузырьки, которые в клетке выполняют многочисленные функции. Фосфолипидные, созданные искусственно состоящие, из двух и более бислоев, везикулы называются липосомы (рис.). Количество слоев в липосоме зависит от способа их получения. Получить липосомы можно при обработке суспензии, содержащей фосфолипиды в водной среде ультразвуком. Многослойные липосомы имеют в диаметре 0,5-10 мкм, однослойные 25-100нм. Липосомы используются для изучения:

1-трансмембранной проницаемости и влияния на нее фармакологически активных веществ;

2 - роли отдельных липидов мембран и взаимодействию липидов и белков в мембране;

3 - процессов взаимодействия антигенов и антител с мембранами клетки;

4 - возможности использования липосом в качестве особых лекарственных форм, обеспечивающих транспорт лекарственных веществ в организме. Определенные липосомы могут улавливаться органами-акцепторами и разрушаться в клетке. Таким образом, можно обеспечить адресную доставку лекарственных веществ в строго определенное место - пораженный орган. Это может быть достигнуто путем подбора определенных компонентов в мембранах протеолипосом - искусственно созданных липосом, бислои которых содержат молекулы белков. Такие липосомы избирательно будут задерживаться в том или ином органе.

Использование липосом в доставке лекарственных веществ имеет ряд преимуществ:

1 - липосомы легко проникают через мембраны, следовательно, транспорт веществ будет более эффективным;

2 - липосомы не является чужеродными для организма и поэтому неблагоприятного действия не оказывают;

3 - липосомы сохраняют интактность транспортируемых веществ, предохраняя от связывания их с белками цитоплазмы; действия ферментов; предотвращают иммунную реакцию организма на вводимые вещества;

4 - транспортируемые липосомами лекарственные вещества имеют более пролонгированное действие, так как, высвобождаются из липосом медленнее, чем из капсулы.

Липосомы и мицеллы являются транспортными формами переноса веществ в клетку и из нее; при этом липосомы переносят водорастворимые вещества, а мицеллы - жирорастворимые. Так, транспортные пузырьки, отпочковывающиеся от ЭПС и аппарата Гольджи, пиноцитозные и секреторные пузырьки - все это липосомоподобные структуры (отличаются от липосом наличием белковых молекул).

Мицеллы - это форма, в которой всасываются в кишечнике продукты переваривания жиров, жирорастворимых витаминов и липидов(рис.).

Липидный бислой в клетке формируется спонтанно; он устойчив по термодинамическим причинам, а не за счет ковалентных связей и определяет такие свойства биомембран как подвижность, цельность мембран и непроницаемость для ионов, полярных молекул, молекул, растворенных в воде.

1.Подвижность мембран. Липидный бислой -жидкое образование, в пределах которого молекулы могут свободно передвигаться, без потери контактов друг с другом. Текучесть (жидкостность) бислоев зависит от способности гидрофобных хвостов свободно скользить относительно друг друга. Скорость передвижения молекул зависит от вязкости мембран, которая определяется количеством СН-групп в ацильных цепях, числом двойных связей в цепи, количеством холестеролаI в бислое. Чем длиннее ацильные цепи «хвоста», тем плотнее упакованы липиды. Степень упаковки мембран влияет на устойчивость мембран: чем выше степень, тем выше устойчивость. Ацильные остатки ненасыщенных жирных кислот имеют, так называемые, «изломы» в структуре, которые препятствуют слишком плотной упаковке молекул в мембране и делают ее более рыхлой, а следовательно, более «текучей». Липиды различных типов встраиваются в мембрану, не случайно и образуют на мембране поля - участки с различными свойствами, выполняющие определенные функции. Например, в тех местах мембран, которыми клетка прикрепляется к другой клетке, концентрируются липиды с насыщенными ацильными цепями, что делает этот участок жестче.

Оба слоя мембраны различаются по липидному составу, поэтому поля могут возникать на данном участке бислоя только на одной из сторон. Таким образом, мембрана представляет собой липидную мозаику, а липиды участвуют во многих функциях клетки. Различие поверхностей бислоя по составу липидов называется трансмембранной (поперечной) ассиметрией.

Трансмембранная ассиметрия возникает вследствие способности липидов передвигаться с одной стороны мембраны на другую. Это движение называется поперечной диффузией или «флип-флоп» (от анг.flip-flop) перескок (рис.). Скорость таких перескоков или трансмембранной миграции зависит от размеров головки молекулы. Так как, на внутренней стороне мембраны находятся молекулы с меньшими размерами головок, то и миграция их в наружную мембрану осуществляется быстрее. Такие перемещении липидов называются также транслокацией липидов. Флип-флоп перескок или транслокация липидов - редкое событие, так как требует больших затрат энергии. Его осуществление и приводит к ассиметрии мембран, что очень важно для выполнения некоторых функций клетки. Например, фосфотидилсерин несет отрицательный заряд; его концентрация на внутреннем слое мембраны больше, поэтому она становится отрицательно заряженной по отношению к внешнему слою, что оказывается важным при передаче внешнего сигнала в клетку.

Кроме этих перемещений в бислое происходит движение в плоскости мембран или латеральная диффузия; молекулы липидов постоянно перемещаются по ней в пределах слоя, а также могут крутиться вокруг своей оси (рис.).

2. Цельность мембран обеспечивается способностью бислоя к самозамыканию. В основе этого явления лежат нековалентные взаимодействия. Бислой устойчив по термодинамическим причинам. Липидные бислои стремятся замкнутся на себя так, чтобы на концах не оставалось ни одной доступной для контакта с водой углеводородной цепи; в результате такого замыкании могут возникнуть ограниченные пространства - компартменты. Липидный бислой может самозапечатываться, так как любая дырка в бислое энергетически не выгодна.

3. Непроницаемость мембран для молекул растворенных в воде и ионов связана с особенностями расположение гидрофобных хвостов .липидов бислоя. Для того, чтобы пройти через бислой, гидрофильные молекулы должны пересечь маслянистую пленку из гидрофобных хвостов липидных молекул. Для того, чтобы преодолеть этот барьер вещество должно бытьгидрофобными или пройти через случайные щели в бислое. Щели возникают при изменении температур, которое вызывает молекулярные перемещения молекул бислоя. В такие щели протискиваются молекулы воды и очень мелкие молекулы.

Липидный бислой может обеспечить транспорт веществ через себя только при наличии специфических молекул - мембранных белков.

Состав липидов в мембранах влияет на их свойства. Внешние мембраны богаче внутренних по содержанию гликолипидов и холестерина, а внутренние богаче внешних по содержанию фосфолипидов. Это объясняется следующими свойствами липидов:

1) Фосфолипиды и сфинголипиды: строение их углеводородных «хвостов» затрудняет взаимодействие между соседними цепями и делает структуру бислоя менее упорядоченной, стабильной, что приводит к:

а) повышению латеральной диффузии компонентов мембран из-за уменьшения взаимодействия между молекулами;

б) увеличивается диффузия неполярных соединений через мембрану из-за возрастания промежутков между «хвостами» липидов;

в) повышается способность мембран к разрыву. В силу этого фосфолипиды и сфинголипиды относят к «дестабилизирующим» липидам, увеличивающим лабильность мембран.

2)Гликолипиды и холестерин. Длинные «хвосты» гликолипидов практически, лишенные двойных связей и молекулы холестерина между ними препятствуют активному перемещению липидов и делают мембрану более стабильной, поэтому их относят к «стабилизирующим» липидами.

С возрастом количество холестерола в мембранах повышается, что делает их менее лабильными и проницаемыми. У сперматозоидов понижение концентрации холестерола в женских половых путях под действием специфического белка, способствующего замене холестерола на фосфолипиды, приводит к разрыву плазмолеммы акросомы при контакте с оболочками яйцеклетки. Таким образом, чем выше концентрация в мембранах гликолипидов и холестерола, тем мембраны прочнее и менее проницаемые; чем выше концентрация фосфолипидов и сфинголипидов, тем больше мембраны склоны к разрывам, а проницаемость их выше.

Липиды влияют также на электропроводность мембран, способность связывать белки и другие свойства. В частности, липидный бислой работает не только как физический барьер, но и как участник проведения сигналов в клетку и реакции клетки на них. Липиды является основными структурными молекулами обеспечивающие формирование бислоя. Но, кроме этого, они выполняют ряд других важных функцией:

а) обеспечивают условия функционирования мембранных белков, влияя на формирование необходимой конформации молекулы.

б) принимают участие в передаче внутриклеточных сигналов: является источником получения и интерпретации поступающих сигналов, а также становятся участниками реакции на них клетки. Так, фосфатидил-инозитол-4,5-бисфосфат (ФИФ₂) под действием фермента фосфолипазы С гидролизуется до диацил- глицерала (ДАГ) и инозитол-трифосфата (ИФ₃). ДАГ и ИФ₃ являются участниками процесса передачи сигнала.

с) выполняют роль «якоря» для прикрепления специфических белков на наружной поверхности мембраны.

д) липиды могут выступать в роли активаторов мембранных ферментов. Например, протеинкиназа С находится в цитоплазме в неактивном состоянии. При повышении концентрации кальция фермент активизируется ионами Са⁺, связывается с ДАГ (см.выше) и осуществляет катализирование реакции фосфорилирования белков.

Синтез липидов мембран осуществляется на поверхности мембран эндоплазматической сети, затем молекулы липидов переносятся в плазматическую мембрану транспортными пузырьками.

Белки мембран.

Белки мембран составляют 50% от массы клеточных мембран. Их роль заключается в том что они обеспечивает функциональную активность мембран,а именно: 1 -учавствуют в транспорте веществ; 2 - входят в состав транспортных насосов и ионных каналов; 3 - являются ферментами и рецепторами, учавствуя в проведении сигналов в клетку; 4 - связывают цитоскелет с внеклеточным матриксом; 5 - преобразуют энергию пищевых веществ в химическую энергию связей молекулы АТФ.

Белки мембран, контактирующие с липидами, имеют преимущественно неполярные аминокислоты в участках, взаимодействующих с хвостами липидов и гидрофильные аминокислоты в участках, взаимодействующих с головками липидов. Мембранные белки связываются с липидами:

1) амидной связью между N-концевым остатком аминокислоты и карбоксильной группой хвоста липида;

2) карбоксильным концом;

3) через образование тиоэфирной связи с участием ЅН-группы цистеина четвертого остатка с С-конца;

4) ковалентно привязываются к мембране через углерод с помощью фосфодиэфирной связи.

Содержание белка в разных мембранах колеблется от 18% (миелиновая оболочка нервов) до 50% (мембраны, содержание насосы, каналы, рецепторы, ферменты), или 70% (мембраны, преобразователи энергии: митохондрии хлоропластов).

Белки мембран обеспечивают одно из свойств мембран - полупроницаемость для воды и низкомолекулярных соединений.

По месту их расположения в мембране различают поверхностные (периферические) и интегральные белки.

Интегральные белки погружены в толщу бислоя или пронизывают его насквозь. В последнем случае они называются трансмембранными интегральными белками.

Трансмембранные интегральные белки бывают монотопными и политопными. Монотопные белки(рис.) пересекают мембрану один раз, так как имеют только один трансмембранный участок полипептидной цепи (белок гликофорин). Многие монотопные белки являются рецепторами. Политопные белки пересекают мембрану несколько раз и имеют несколько трансмембранных участков и, также, в большинстве своем являются рецепторами, активирующими передачу сигналов внутрь клетки (рис.). Некоторые мембранные интегральные белки связаны с липидами бислоя связями между их N-концевым остатком и карбоксильной группой жирной кислоты липида; другие связываются с углеводами липида гликозилфосфоинозида с помощью фосфодиэфирной связи. Такие белки называются прикрепленными к глицеролфосфогенозидному якорю; одни из них является рецепторами проведения сигнала, другие - поверхностными зонами узнавания клетки.

Поверхностные (периферические) белки связаны только с одной из поверхностей мембран ионными взаимодействиями. Наиболее распространенные из периферических белков - фибронектин, белок наружной поверхности мембран (все клетки, кроме циркулирующих клеток крови) и спектрин, белок внутренней поверхности клеточных мембран, чаще всего эритроцитов (рис.), цитохромы а, в, с мембран митохондрий.

Периферические белки тесно связаны с интегральными белками мембран белок-белковыми взаимодействиями и играют роль в функционировании цитоскелета.

Подобно липидам, интегральные белки мембран способны перемещаться в плоскости отдельных слоев мембран, то есть латерально, но флип-флоп перескоки совершать не могут. Белковые молекулы располагаются в бислое мозаично и могут «плавать» в «липидном море» наподобие айсбергов. В перемещении белков важную роль играют элементы цитоскелета (подробнее ниже). При межклеточных взаимодействиях происходит их концентрация на взаимодействующих поверхностях плазмолеммы в виде агрегатов (так называемый, кэппинг).

Взаимодействие мембранных белков и липидов было описано Д.Зингером и Г.Николсоном (1972) и предложена модель мембраны, в которой большая часть белков погружена в мембрану почти перпендикулярно, однако, они не закреплены, а подвижны благодаря текучести мембраны.Такая модель называется жидкостно-мозаичной квазикристаллической.

Белки мембран делятся по функциям на: 1- структурные и транспортные; 2 -обеспечивающие межклеточные взаимодействия; 3 - участвующие в передаче сигналов от одной клетки к другой; 4- каталитические.

Структурные белки: 1 - придают клетке и органеллам форму; 2 - придают мембране те или иные механические свойства (эластичность, прочность и др.); 3 - обеспечивают связь мембраны с цитоскелетом или у ядерной мембраны с хромосомами.

Транспортные белки - обеспечивают транспорт высокомолекулярных веществ через мембрану, размеры которых не позволяют проникновение через липидный бислой. Эти белки образуют транспортные системы и каналы, обеспечивающие устойчивые транспортные потоки веществ через мембраны. Кроме того, транспорт ионов приводит к возникновению трансмембранного потенциала во всех клетках; в нервных клетках и нервах его изменение лежит в основе проводимости и возбудимости.

Белки, обеспечивающие межклеточные взаимодействия -это адгезивные белки, связывающие клетки друг с другом, базальной мембраной, волокнами и белки, участвующие в образовании межклеточных контактов (десмосом и пр.).

Каталитические белки - учавствуют в ферментных реакциях, происходящих на мембране.

Белки, участвующие в передаче сигналов от одной клетке к другой - это белки, являющиеся рецепторами сигнала, белки ионных каналов (белки эффекторного устройства), белки инактиваторы внешнего медиатора и образующие внутренний медиатор, белки передающие сигнал через мембрану.

Остановимся подробно на строении нескольких мембранных белков плазмалеммы эритроцитов (рис.).

1.Спектрин (рис.) - фибриллярный периферийный белок, связанный с внутренней поверхностью плазмолеммы. Диаметр 2 нм, длина 100 нм. Всего в плазмолемме эритроцитов 200 тысяч молекул спектрина. Спектрин явяется тетрамером, состоящим из 2 б- и 2 в-цепей. б- и в-цепи попарно перекручиваются друг с другом и соединяются антипараллельно и нековалентно в нескольких точках, образуя два димера (рис.). Эти димеры также перекручиваются, формируя тонкую, гибкую фибриллу. Спектрин являются основным белком цитоскелета эритроцита.

2.Гликофорин (рис.) - интегральный гликопротеин. Он пронизывает мембрану и с обеих сторон выступает над ее поверхностью. Всего в плазмолемме эритроцита 360 000 молекул гликофорина. Гликофорин состоит из 2-х субъединиц; каждая включает пептидную цепь из 161 остатка аминокислоты и 16 олигосахаридных цепей. Углеводный компонент белка составляет 60% массы гликофорина. В пептидной цепи гликофорина 3 участка:

а - N-концевой участок (50 остатков аминокислот) выступает на внешней стороне мембраны и связан с углеводной частью белка; моносахариды этих цепей являются сиаловой кислотой, имеющей заряженные отрицательно группы. Благодаря этому эритроциты несут на внешней стороне значительный отрицательный заряд, препятствующий их слипанию. По мере старения происходит потеря сиаловой кислоты и снижение заряда, что способствует захвату эритроцита макрофагом. Таким образом, N-концевой конец определяет продолжительность жизни эритроцита. Кроме того,гликофорин содержит антигенные детерминанты - агглютиногены А, В, О.

б - срединный участок (30 остатков аминокислот) проходит через липидный бислой, то есть, является трансмембранным доменом и имеет вид б-спирали с аминокислотами с неполярными радикалами.

в - С-концевой участок расположен на внутренней поверхности мембраны и обогащен заряжеными и полярными радикалами. С ними связываются актиноподобные белки, а с последними - элементы цитоскелета клетки (микрофиламенты). Таким образом, гликофорин служит также местом крепления цитоскелета.

3. Белок, образующий анионный канал или белок полосы 3 - это интегральный гликопротеин, содержащий 2 субъединицы и пронизывающий бислой мембраны. Между субъединицами образуется пора (канал), «стенки» которой выстланы гидрофильными радикалами аминокислот, через канал проходят анионы (Сl^?, НСО?з, ОН?) и глюкоза. Для транспорта катионов в мембране эритроцитов транспортных систем нет. Анионные каналы обеспечивают рп????эритроцитов, а также транспорт СО из тканей в плазму крови и в малом круге кровообращения. Важность этих функций очевидна, так как на мембране эритроцита находится 600000 анионных каналов, на которые приходится 10% площади мембраны и 15%массы всех белков плазмолеммы.

4. Nа⁺,К⁺,-насос - это Nа⁺,К⁺,-зависимая АТФаза, интегральный гликопротеид, насчитывающий всего несколько сотен молекул на эритроците и состоящий из 4 субъединиц - 2б и 2в. Последние находятся на наружной поверхности мембраны и с ними связываются олигосахаридные цепи. Na⁺, К⁺,-насос за счет энергии АТФ выкачивает из эритроцита ионы Na⁺ в обмен на ионы К⁺ и Н⁺ (подробнее механизм будет описан ниже).

5. Белки полосы 4.1 и 4.2 - называются так по расположению этого белка на электрофореграмме относительно других белков. Периферические белки мембран, связывающие спектрин с актином, а белок полосы 3 с анкирином.

6. Анкирин - крупной белок (210 кДа), который связывает спектрин с мембраной и уменьшает диффузию белка полосы 3 в липидном бислое.

7. Актин - глобулярный белок с массой 43 кДа. В результате полимеризации (см.ниже, Цитоскелет) образует активные филаменты.

Цитоскелет мембран эритроцитов формируется из почти всех вышеперечисленных белков. Димеры спектрина (рис) соединяясь, образуют разветвленную волокнистую сеть. Окончания спектриновых филаментов соединяются белками актином и тропомиозином. Еще два мембранных белка белок полосы 4.1 и аддуцин соединяются со спектрин-актиновым соединением и помогают прикреплению более длинного спектринового филамента к белку мембраны, глубоко погруженному в бислой - гликофорину. Белок анкирин соединяет центр тетрамера спектрина и главный анионно-обменный белок - белок полосы 3. Таким образом, образуется сетка молекул, которая обеспечивает жесткость мембраны и поддерживает двояковогнутую форму эритроцита, а также способствует изменению формы эритроцитов при прохождении ими через мелкие кровеносные сосуды (рис).

Генетические нарушения любого из этих белков могут изменить форму эритроцита и привести к клиническим нарушениям. Так, дефицит спектрина приводит к аутосомно-доминантному наследственному сфероцитозу; инсерция анкирина - к аутосомно-доминантному наследственному эллиптоцитозу и т.д. (табл.)

Изучение цитоскелета других эукариотических клеток показало, что модель цитоскелета эритроцита верна и для других типов эукариотических клеток. Различие составляют количество и типы связывающих белков; наличие спектрина, анкрина, актина характерно для всех типов клеток .

Кроме белков и липидов в состав мембран входят углеводы (10%) как составные части липидов (гликолипиды) и белков (гликопротеины).

Все молекулы белков, липидов и углеводов объединяются в мембраны путем самосборки при соблюдении следующих главных принципов строения и свойств мембран:

1- мембраны не однородны, то есть мембраны разных органелл и плазмолеммы отличаются по составу.

2- мембраны является плоскими структурами, разграничивающими отдельные компартменты цитоплазмы. Толщина мембран составляет 60-100А.

3- липиды мембран является амфифильными молекулами и образуют замкнутый бислой, который служит барьером для полярных соединений.

4- функции мембран опосредуются специфическими мембранными белками, встроенными в липидный бислой, который определяет проявление их активности.

5- мембраны нековалентные надмолекулярные структуры; белки и липиды удерживаются вместе за счет возникновения нековалентных взаимодействий;

6 - компоненты мембран находятся в состоянии непрерывного движении. Белки перемещаются со скоростью 2,5 мкм за 10 сек., а липиды на 5,5 мкм. Молекулы липидов и белков способны совершать вращательные движения, меняя свою ориентацию по отношению к мембране. Так, функционируют мембранные переносчики: связав вещество с одной стороны мембраны, они поворачиваются на 180є и высвобождают его с другой стороны.

7 - соотношение липидов и белков в мембране обычно близко к 1:1, редко от 4:1 до 1:4. молекулярная масса липидов меньше массы белков приблизительно в два раза, поэтому количество липидов вдвое превышает количество белков. Общая толщина бислоя составляет 5,3 нм; за счет белков толщина мембраны увеличивается до 7-10 нм.

8- компоненты мембран асимметричны. Между наружным и внутренним слоем мембран имеются отличия по количеству и качеству липидов и расположению белков: одни только на наружном или в наружном слое, другие - только на внутреннем или во внутреннем слое. Углеводы находятся только на наружной поверхности мембран.

9- мембраны замкнуты. Липидные бислои всегда замыкаются с образованием полностью ограниченных отсеков, изолируя гидрофобные части липидов от водной среды. При нарушении целостности мембран они самосливаются.

10 - мембраны - жидкие структуры.

Биологическим мембранам клетки характерна способность взаимо- переходов друг в друга. При делении и росте клетки биологическая мембрана образуется из пузырьков аппарата Гольджи. Белки и липиды мембран синтезируется в ЭПС, дальнейшая их сортировка и модификации происходят в аппарате Гольджи; оттуда в составе транспортных пузырьков компоненты мембран направляются в различные органеллы клетки, наполняя их мембраны.

Функции биомембран обуславливаются их строением. Биомембраны выполняют следующие функции:

а) разграничительную (отделяют клетки от внеклеточной среды, органеллы от цитоплазмы);

б) барьерно-защитную (защищают внутреннюю среду клетки от внешних факторов);

в) рецепторную (обеспечивают передачи сигналов в клетку с помощью рецепторов);

г) транспортную - мембраны обеспечивают перенос веществ из внешней среды в клетку и из клетки во вненшнюю среду

д) участвуют в межклеточных взаимоотношениях;

е) формируют межклеточные контакты и дистантные взаимодействия;

...