Клетка - открытая система
advertisement
Клетка - открытая система 1. 2. 3. 4. 5. Элементарная живая система: Самостоятельное существование Развитие Размножение Автономна по отношению к окружающей среде 6. Взаимодействует с окружающей средой Биомембраны в клетке 1. Плазматическая мембрана - образует границу клетки 2. Органеллы 3. Ядро 4. Эндоплазматический ретикулум 5. Аппарат Гольджи 6. Лизосомы 7. Митохондрии 8. Хлоропласты Основные функции БМ 1. Барьерная – селективный, регулируемый пассивный транспорт, активный обмен веществом с окружающей средой. 2. Матричная – определенное взаимное расположение и ориентация мембранных белков. 3. Механическая – прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур. 4. Энергетическая – синтез АТФ и фотосинтез. 5. Генерация и проведение потенциалов. 6. Рецепторная. Развитие представлений о строении биологических мембран • XIX в – ПМ - определенная структура • к XIX в – Овертон: БМ состоят из молекул, которые похожи на молекулы масла (липиды) • 1925г – Гардер и Грендел БМ образована 2-ым слоем липидных молекул (липидный бислой) кювета Ленгмюра Развитие представлений о строении биологических мембран • 1935г Коул и Кертис – подтвердили гипотезу. Электрическое сопротивление двойного мембранного слоя 107 Ом м2 Удельная электрическая емкость 0,5 10-2 Ф/м2 Биомембрана – электрический конденсатор Толщина неполярной части – 3,5 нм Развитие представлений о строении биологических мембран 1935 г Дэвинсон и Даниелли предложили модель «сендвича». Рентегоструктурный анализ установил упорядоченность в расположении липидных молекул в БМ Электронная микроскопия показала – в БМ встроены глобулярные частицы 1972 г – Спингер и Николсон – разработали концепцию жидко-мозаичной модели БМ: БМ текучий фосфолипидный слой, в который погружены свободно диффундирующие белки Развитие представлений о молекулярной организации БМ (по Ю.А. Владимирову) Образование мембранных структур Основные молекулярные компоненты БМ – биополимеры, функционирующие в водной среде Методы изучения БМ (состав, структура, строение) Электронная микроскопия а) оптический микроскоп – отдельные части клетки; б) электронный микроскоп – внутреннее строение, клеточные органеллы, детали строения БМ; г) замораживание-скалывание (травление), ЭПР, ЯМР, флуоресцентные методы – динамические характеристики БМ ЭПР Различия в спектрах ЭПР в зависимости от способа прикрепления спиновой метки к фосфолипидной молекуле Изменение спектров ЭПР при увеличении подвижности (уменьшении микровязкости) Биомембраны: • функциональные структуры клетки, которые ограничивают цитоплазму и большинство внутриклеточных структур, образуют единую систему канальцев, складок и замкнутых полостей; • толщина 10нм; • масса 1/2 массы сухой клетки; • состав: липиды, белки, углеводы и минорные компоненты. Вода в биомембранах 1) Связанная вода: а) внутренняя связанная вода, б) вода гидратных оболочек, в) слабосвязанная вода. 2) Свободная вода. Жидко - кристаллические структуры Фазовые переходы в липидных мембранах МОДЕЛЬНЫЕ ЛИПИДНЫЕ МЕМБРАНЫ Образование плоской бислойной липидной мембраны Схема строения однослойной липосомы Подвижность молекулярных компонентов в мембранах • Вращательная подвижность. Время поворота липида вокруг своей оси на 1 рад 10-9 с. • Латеральная диффузия - перемещение молекул липидов вдоль слоя. • Коэффициент латеральной диффузии D 10-7- 10-8см2/с. • Сегментальная подвижность. Передвижение иона в липидном слое мембран Трансбислойное движение – флип-флоп переход Время движения в БМ: • электрического органа угря – 3-7 мин, • эритроцитов – 20-30 мин, • модельных визикулярных мембранх – 10 - 20 ч и более. Константы латеральной диффузии мембранных белков Микровязкость углеводородной области липидного бислоя в искусственных и природных мембранах, маслах и жидкостях Силы, действующие на мембрану Р –сжимающие f - растягивающие h – толщина мембраны Сравнение свойств искусственных липидных и биологических мембран Свойство Биомембраны Биологической липидной мембраны ЭлектронноТрехслойная микроскопический снимок структура поперечного среза Толщина, нм 6,0-10,0 Трехслойная структура Сопротивление, Ом*см2 Электрическая емкость, мкФ/см2 Показатель преломления 102-105 0,5-1,3 106-109 0,2-1,0 1,6 1,56-1,66 Проницаемость для воды, мкм/с 0,5-400 31,7 2,5-8,0 Разрушение биомембран • Слияние клеток. • Лизис. • Гемолиз. Липидные мембраны – метастабильные системы. Значительные отклонения параметров БМ от равновесных, приводят к возникновению и накоплению дефектов в структуре Поры в БМ Размеры липидных пор в модельных и клеточных мембранах Радиус поры r,нм Объект Соотношение радиусов пор Стрессовое состояние 3,0-4,0 Эритроцит rжк с >rэп>=r Электрический пробой 2,0 То же rжк с >r Осмотический гемолиз 1,2 L-клетки rжк с >rэп>=r Электрический пробой 0,2-2,0 Липосомы rжк с >r Осмотический лизис 0,6-0,8 То же rжк с >rгель>=r Фазовый переход 0,5-2,0 То же rжк с >rгель>=r Фазовый переход 1,2-1,8 БЛМ rжк с >rгель>r>rэп гель Фазовый переход • Живые системы - открытые системы на всех уровнях организации • Необходимое условие существования клетки – транспорт веществ через БМ, который обеспечивает: • -метаболизм клетки • -биоэнергетические процессы создания потенциалов и генерации нервного импульса • Нарушение транспортной функции БМ – развитие патологии Виды транспорта через БМ Пассивный транспорт перенос вещества без затраты энергии Активный транспорт перенос вещества с затратами энергии Пассивный транспорт - это транспорт самопроизвольный, без затраты энергии. Активный - требует затраты энергии. Пассивный транспорт через БМ осмос фильтрация Простая диффузия Облегченная диффузия С подвижным переносчиком через липидный слой через белковые поры через липидные поры С фиксированным переносчиком Простая диффузия: а – через липидный слой б – через липидные поры в – через белковые поры Пассивный транспорт Перенос вещества по градиенту электрохимического потенциала, то есть из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с меньшим значением электрохимического потенциала Проницаемость мембран • Хорошая для: • неполярных веществ (хорошо растворимых в липидной фазе): - органических кислот, - эфиров и др. • Плохая для: • полярных веществ, органических мономеров: - солей, - оснований, - спиртов, - сахаров, - аминокислот. а) транс-конфигурация, б) транс-гош конфигурация. Образование кинков . Пассивный транспорт через липидные поры Липидные поры – гидрофильные поры в липидном бислое Белковые поры ЛИПИДНЫЕ ПОРЫ • Размеры канала изменяются в зависимости от внешних условий и имеют динамических характер • Размеры варьируются в широких пределах, поры могут «затекать» • Нет выраженной избирательности каналов - универсальны БЕЛКОВЫЕ ПОРЫ • Размер сохраняется на протяжении всей жизни поры • Фиксированный набор радиусов • Избирательность переноса Пассивный транспорт: облегченная диффузия С ПОДВИЖНЫМ ПЕРЕНОСЧИКОМ С ФИКСИРОВАННЫМ ПЕРЕНОСЧИКОМ Отличия от простой диффузии: 1.Значительно быстрее. 2.Имеет свойство насыщения (все молекулы переносчики – заняты). 3.Высокая специфичность. 4.Вещества – блокаторы облегченной диффузии (ингибиторы). Пассивный транспорт: осмос Диффузия воды из мест с большей ее концентрацией в места с меньшей концентрацией p1 p2 Осмотическое давление Вода р1 р2 Простая диффузия (вверху), облегченная диффузия через канал в мембране (в середине) электрофорез ионов - внизу. Насыщаемый и ненасыщаемый транспорт ионов При обычной диффузии потоки невелики, но прямо пропорциональны концентрации иона в среде, из которой происходит перенос (нижняя прямая). При переносе через канал или с помощью подвижного переносчика потоки гораздо больше, но при увеличении концентрации ионов наступает насыщение. • Перенос вещества против градиента ЭХП, то есть из мест с меньшим значением ЭХП к местам с большим значением ЭХП • Сопровождается увеличением энергии Гиббса • Не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом гидролиза АТФ, те за счет энергии, запасенной в макроэргических связях Перенос вещества против градиента электрохимического потенциала, то есть из мест с меньшим значением электрохимического потенциала к местам с большим значением электрохимического потенциала k(х1) мембрана < l k (х2) jm • Создание градиента концентрации вещества. • Создание градиента электрического потенциала. • Создание градиента давления. АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ УДЕРЖИВАЕТ ОРГАНИЗМ В НЕРАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ Ионные насосы - Na+ насосы: локализованы в плазматических мембранах нервных клеток - Сa2+ насосы: локализованы в мембранах саркоплазматического ретикулума - Н+ насосы (помпа): локализованы в энергосберегающих мембранах 1. образование комплекса фермента с АТФ на внутренней поверхности мембраны 2. связывание комплексом 3-х ионов натрия 3. фосфорилирование фермента с образованием АДФ 4. переворот (флип-флоп) фермента внутри мембраны 5. реакция ионного обмена натрия на калий на внешней поверхности мембраны 6. обратный переворот ферментного комплекса с переносом ионов калия внутрь клетки 7. возвращение фермента в исходное состояние с освобождением ионов калия и неорганического фосфата Электронейтральный Электрогенный Функционирование транспортной системы сопровождается обменом внутриклеточных ионов на внеклеточные в отношении «заряд на заряд» количество зарядов, переносимых за единицу времени в одном направлении НЕ компенсируется суммарным зарядом, переносимым в противоположном направлении Создаются дополнительные разности потенциалов Процессы переноса ионов через мембраны, обусловленные наличием механизмов, облегчающих обмен ионами между внеклеточной средой и внутриклеточной средой • Может образовывать комплекс с ионом и работать по принципу «малая карусель» или «большая карусель». • Может формировать пору в мембране, заполненную водой – ионный канал. • Внешняя часть молекулы – гидрофобна, внутренняя – гидрофильна. • На одном из концов молекулы – «якорь» – заряженные и сильно полярные группы, которые удерживают молекулу на одной стороне мембраны и позволют ей пронизывать гидрофобную часть мембраны • Грамицидин А-цепь из 15 гидрофобных аминокислоыт спираль полый цилиндр пора. Низкая селективность из-за высокой эластичности спиральной структуры. • Аламецитин – пептидный антибиотик – 20 аминокислот в линейной цепи водная пора переменного диаметра. • Полиеновые антибиотики, крауны. Схема строения Na-канала Распределение концентрации ионов внутри и снаружи кардиомиоцита позвоночных
