Раздел 3: Биофизика мембранных процессов Тема: структура и функции

Гольджи
Лизосомы
Митохондрии
Хлоропласты
….

обмен веществом с окружающей средой.
(селективный – значит избирательный: одни

вещества переносятся через биологическую мембрану, другие нет; регулируемый – проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки.
Матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков для их оптимального взаимодействия.
Механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур

и фотосинтез в мембранах хлоропластов
Генерация и проведение потенциалов
Рецепторная –

механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция – мембранные процессы)
….

- определенная структура
к XIX в – Овертон: БМ состоят из

молекул, которые похожи на молекулы масла (липиды)
1925г – Гортел и Грендел -
БМ образована двойным слоем
липидных молекул (липидный
бислой) – простой опыт с помощью
кюветы Ленгмюра

липидный слой электрическое сопротивление 107Ом▪м2
удельная электрическая емкость 0,5*10-2 Ф/м2

БМ – электрический конденсатор


Толщина неполярной части

упорядоченность в расположении липидных молекул в БМ
Электронная микроскопия – в

БМ встроены глобулярные частицы

по одному принципу, и высказал концепцию унитарной (или единообразной мембраны).

Эта модель во многом сходна с классической моделью Дж.Даниелли: основу мембраны составляет липидный бислой, а нелипидные компоненты лежат на поверхности связываясь с липидами за счет
электростатических и
гидрофобных взаимодействий.
В его модели нашла
отражение важная
структурная особенность –
асимметрия.

текучий фосфолипидный слой, в который погружены свободно диффундирующие белки

в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, образуя в нём

своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь (интегральный белок - 1), примыкать к бислою (периферический белок - 2) или погружаться в него. Многие белки мембраны являются гликопротеинами (3), мембранообразующие липиды - гликолипидами (4), на схеме также показаны: холестерол (5); углевод (6); элементы цитоскелета (7).

водной среде

образуют единую систему канальцев, складок и замкнутых полостей
Толщина10нм
масса 1/2 массы

сухой клетки
Состав: липиды, белки, углеводы

которая связывается с F0-частью, погруженной в мембрану; некоторые белки цитоскелета.
2.

Связывание с поверхностью бислоя. Это взаимодействие имеет в первую очередь электростатическую природу (например, основный белок миелина) или гидрофобную (например, поверхностно-активные пептиды и, возможно, фосфолипазы). На поверхности некоторых мембранных белков имеются гидрофобные домены, образующиеся благодаря особенностям вторичной или третичной структуры. Указанные поверхностные взаимодействия могут использоваться как дополнение к другим взаимодействиям, например к трансмембранному заякориванию.
3. Связывание с помощью гидрофобного "якоря". Эта структура обычно выявляется как последовательность неполярных аминокислотных остатков (например, у цитохрома b5). Некоторые мембранные белки используют в качестве якоря ковалентно связанные с ними жирные кислоты или фосфолипиды.
4. Трансмембранные белки. Одни из них пересекают мембрану только один раз (например, гликофорин), другие - несколько раз (например, лактопермеаза, бактериородопсин).

структуры, образуемые молекулами фосфолипидов в воде в результате самосборки

части клетки
б) электронный микроскоп
внутреннее строение, клеточные органеллы, детали строения БМ

«Замораживание-скол-травление»
ЭПР, ЯМР, флуоресцентные методы: динамические характеристики БМ

метки к фосфолипидной молекуле

своей оси на 1 рад  10-9с
Латеральная диффузия - перемещение

молекул липидов вдоль слоя.
Коэффициент латеральной диффузии D  10-7- 10-8см2/с

3-7 мин
-БМ эритроцитов 20-30 мин
Модельные визикулярные мембраны 10 - 20

ч и более

маслах и жидкостях

мембраны - гибель

многочисленные модельные мембранные системы.

фазе растворителя.

третичной структуры мембранных белков методом спектроскопии ЯМР высокого разрешения –

данные белки заключают в смешанные мицеллы из липидов и детергентов для моделирования их мембранного окружения и регистрируют их спектральные характеристики.

четко выраженными неполярными свойствами адсорбируются на границе раздела фаз воздух-вода,

образуя слой толщиной всего в одну молекулу. Такой монослой можно исследовать либо непосредственно на границе раздела, либо после его переноса на какую-либо подложку. Фосфолипиды и другие амфифильные молекулы образуют ориентированные монослои, в которых полярные группы контактируют с водной фазой, а углеводородные цепи обращены в воздух.

Схема измерения поверхностного давления по методу Лэнгмюра

вязкости и поверхностной радиоактивности. К достоинствам этой модели относят простоту

получения и интерпретации полученных результатов, однако монослои по своей структуре отличаются от биологических мембран, а также не позволяют изучать процессы транспорта через мембраны.

перенести на твердую подложку, например, на алкилированное предметное стекло. Для

этого достаточно просто прикоснуться этим стеклом к монослою (за счет алкилирования поверхность стекла становится гидрофобной). Полярные головки липидов после перенесения монослоя на такое стекло по-прежнему контактируют с водой. Таким образом, можно исследовать монослои, перенесенные на твердую подложку при разных значениях поверхностного давления я. Монослои на твердой подложке позволяют изучать непосредственно липидные монослои, взаимодействие монослоя с белками и другими молекулами, создавать системы антиген-антитело, исследовать мембранные каналы.

кисточкой концентрированного раствора фосфолипида в таких растворителях, как декан, на

перегородку из гидрофобного материала (например, из полистирола), 8 которой имеется небольшое отверстие (диаметром около 1 мм). Перегородка разделяет две камеры, содержащие водные буферные растворы. Большая часть растворителя переходит в воду, а липиды при соответствующих условиях самопроизвольно образуют бислойную пленку, затягивающую это небольшое отверстие

Эта система особенно полезна для изучения пор, каналов или переносчиков,

которые облегчают перенос заряда через бислой из одного водного компартмента в другой. В водные камеры помещают электроды, растворы в них можно легко заменять, а измерения тока и/или напряжения являются очень точными и отличаются высокой чувствительностью.

содержимое. Многие фосфолипиды при диспергировании в воде самопроизвольно образуют гетерогенную

смесь везикулярных структур, состоящих из нескольких бислойных концентрических оболочек. Это были первые липосомы, которые удалось охарактеризовать, и сейчас их называют мультиламеллярными везикулами (МЛВ). Большой интерес представляют моноламеллярные везикулы, т.е. везикулы, образованные одинарным бислоем. Их подразделяют на малые моноламеллярные везикулы (ММВ) с диаметром от 200 до 500 А и большие моноламеллярные везикулы (БМВ) с диаметром от 500 до 5000 А. Можно также приготовить гигантские фосфолипидные везикулы размером с клетку, имеющие диаметр до 300 мкм.

встраивать различные белки, а также для создания систем доставки лекарственных

препаратов. Важными характеристиками липосом являются их липидный состав, средний диаметр и степень гетерогенности по размерам. О распределении липосом по размеру можно судить по данным:
1) гель-проникающей хроматографии;
2) светорассеяния;
3) ультрацентрифугирования;
4) электронной микроскопии.
Особый интерес для тех, кто исследует способность липосом включать в себя различные вещества, представляют такие параметры, как 1) внутренний водный объем, т.е. количество водорастворимого вещества в расчете на моль липида; 2) эффективность включения, или доля водного объема, включенного внутрь везикул. Первый параметр увеличивается с ростом диаметра липосом, а второй прямо пропорционален концентрации липида.

– метастабильные системы
Значительные отклонения параметров БМ от равновесных, приводят к

возникновению и накоплению дефектов в структуре