И функциональные компоненты клеточных мембран
Лекция № 7.
МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ
И функциональные компоненты клеточных мембран
Основные термины
Клеточные мембраны
Липиды
Глицерофосфолипиды
Сфинголипиды
Гликосфинголипиды
Холестерол
Амфифильный
Простагландины
Фосфоинозитол
Интегральные белки
Трансмембранные однократно-пересекающие белки
Трансмембранные многократно-пересекающие белки
Периферический белок
Строение мембраны
Значение мембран в функционировании клеток
Различия между мембранами
Эта лекция посвящена структурным и функциональным свойствам клеточных мембран, в частности плазматической мембраны. Существует более 200 типов клеток человеческого организма, и существуют также различные типы плазматических мембран. Мембрана принимает множество форм в зависимости от структурной и функциональной роли клетки.
Основные клеточные органеллы и их функции. Представлены лишь главные функции, выполняемые каждой органеллой. Как правило, в органеллах происходит гораздо больше процессов и реакции
| Органелла или фракция | Маркер | Основные функции |
| Ядро | ДНК | Хромосомы Место синтеза РНК на матрице ДНК (транскрипция) |
| Митохондрия | Глутаматдегидрогеназа | Цикл лимонной кислоты, окислительное фосфорилирование |
| Рибосома | Высокое содержание РНК | Место синтеза белка (трансляция с мРНК на белок) |
| Эндоплазматический ретикулум | Глюкозо-6-фосфатаза | Рибосомы, связанные с мембраной, — главное место синтеза белка Синтез различных липидов Окисление многих ксенобиотиков (цитохром P450) |
| Лизосома | Кислая фосфатаза | Место расположения многих гидролаз (ферментов, катализирующих реакции распада) |
| Плазматическаямембрана | Nа+-К+-АТФаза 5’-нуклеотидаза | Транспорт молекул внутрь клетки и наружу Межклеточные адгезия и взаимодействие |
| Аппарат Гольджи | Галактозилтрансфераза | Внутриклеточная сортировка (компартментализация) белков Реакции гликозилирования Реакции сульфатирования |
| Пероксисома | Каталаза Оксидаза мочевой кислоты | Разрушение определенных жирных кислот и аминокислот Производство и расщепление перекиси водорода |
| Цитоскелет | Нет специфических ферментных маркеров | Микрофиламенты, микротрубочки, промежуточные филаменты |
| Цитозоль | Лактатдегидрогеназа | Ферменты гликолиза и синтеза жирных кислот |
Плазматической мембранойназывается барьер, который окружает цитоплазму, определяя границы клетки. Однако мы знаем, что мембрана служит не только барьером между цитозолем и внеклеточной средой, но содержит молекулы, которые передают сигналы с наружной стороны клетки в цитоплазму и к внутриклеточным органеллам.
Белки и липиды
Все клеточные мембраны представляют собой сложную смесь белков и липидов. Существуют три важных принципа строения мембраны.
1. Мембраны не однородны.Мембраны, окружающие внутриклеточные органеллы, и плазматическая мембрана отличаются по составу.
2. Многие компоненты мембран находятся в состоянии непрерывного движения.Мембрана напоминает постоянно меняющуюся мозаику. Некоторые части мембраны изменяются быстрее, чем другие.
3. Компоненты мембран чрезвычайно асимметричны.Между наружным и внутренним слоями мембран имеется различие по относительному количеству и качественному составу липидов. Белки располагаются среди липидов асимметрично и имеют хорошо различимые вне- и внутриклеточные домены.
При исследовании клетки под световым микроскопоммы можем видеть ее край, ограниченный плазматической мембраной. Однако этот уровень изучения мембран непозволяет увидеть некоторые важные вариации в ее структуре.
Важнейшие функции мембран
Мембраны контролируют состав внутриклеточной среды.Основная функция мембраны — формирование вокруг цитоплазмы барьера, который избирательно пропускает молекулы, входящие в клетку и выходящие из нее. В значительной степени такое поведение мембраны обусловлено непроницаемостью ее липидов для воды и других гидрофильных молекул. В мембране находятся белки, которые образуют каналы и поры, принимающие участие в высокоизбирательном транспорте молекул через мембрану.
Мембраны обеспечивают и облегчают межклеточную и внутриклеточную передачу информации.Мембрана — это место, где молекулярная информация воспринимается, преобразуется и передается далее в клетку.
Строение и сборка мембран
Локализация синтеза
Синтез белка происходит в основном в двух местах: в цитозоле и на мембране эндоплазматического ретикулума (ЭР). Белки, которые высвобождаются в цитоплазму для дальнейшего пребывания во внутренней среде клетки, синтезируются на рибосомах,локализованных в цитозоле.Фактически все рибосомы располагаются в цитозоле; однако, до того как они соединятся с мРНК, рибосомы существуют в виде двух основных рибосомных субъединиц, рибонуклеопротеиновых комплексовс константами седиментации 40S и 60S.
После выхода мРНК в цитоплазму через поры ядерной мембраны образуется начальный комплекс, состоящий из рибосомной 40S субъединицы и мРНК. Как только данный комплекс сформируется, к нему присоединяется рибосомная субъединица 60S, в результате образуется функциональная рибосома, которая немедленно начинает транслировать на мРНК полипептид.
Если рибосома встречает нуклеотидную последовательность, кодирующую аминокислотную цепь, сигнализирующую, что транслируемый белок является мембранным или секретируемым, то трансляция прекращается до встраивания начального конца белка в эндоплазматический ретикулум (сигнальная гипотеза).
Результаты исследований синтеза белка (в том числе синтеза на полирибосомах, ассоциированных с ЭР, — «мембрано-связанных рибосомах»), показали, что все интегральные белкисинтезируются на мембране ЭР, включая белки плазматической мембраны. На рисунке показаны клеточные органеллы, участвующие в синтезе и процессинге белка.
Липиды мембрантакже синтезируются на ЭР и переносятся в плазматическую мембрану. Процесс переноса белков и липидов из ЭР к плазматической мембране осуществляется транспортными пузырьками.
Важным следствием синтеза компонентов плазматической мембраны на ЭР является тот факт, что эти компоненты транспортируются в форме готовых мембран, т.е. в мембранных пузырьках.Таким образом, важно помнить, что мембраны происходят только из предсуществующих мембран. Мембраны органелл клетки имеют сходное строение; однако по белково-липидному составу они значительно отличаются от плазматической мембраны и друг от друга.
Глицерофосфолипиды
(Фосфоглицериды)
Фосфоглицериды — основный класс липидов биологических мембран. Как указывает их название, фосфоглицериды состоят из молекулы глицерола, две гидроксильные группы которого этерифицированы жирными кислотами, а третья — остатком фосфорной кислоты, этерифицированной спиртом. Большая часть полярных липидов имеет сходное строение с небольшими отклонениями.
Жирные ацильные цепи отличаются по структуре, особенно в расположении двойных связей, которые определяют свойства белково-липидного бислоя. Атомы углерода, образующие двойные связи, не могут свободно вращаться, поэтому они занимают фиксированную позицию и создают изгибы в углеводородной цепи. Эти изгибы предотвращают плотную упаковку липидных «хвостов», что влияет на вязкость или текучесть мембраны.
Протяженность ацильных цепей также имеет биологическое значение: более короткие цепи упакованы в менее жесткие структуры, и это способствует уменьшению вязкости мембраны. Таким образом, и длина ацильной цепи, и число двойных связей играют важную роль в изменении текучести мембраны.
Сфинголипиды
Наиболее распространенные сфинголипиды - это церамиды. Миелин, липидное вещество, окружающее и изолирующее многие нервные волокна, состоит в основном из сфингомиелина.
Холестерол
Холестерол — третий основной класс мебранных липидов. Этот стероид выполняет в мембране многочисленные функции.
Внедрение гидрофобной части молекулы холестерола между гидрофобными доменами других липидов приводит к менее плотной «упаковке» ненасыщенных ацильных цепей, что придает внутренней части бислоя меньшую вязкость, то есть делает ее более текучей. Снижение вязкости способствует латеральному перемещению липидов в плоскости липидного бислоя.
Противоположный эффект - ОН-группа «цементирует» гидрофильные части мембраны, что делает мембрану менее проницаемой для небольших молекул.
В подвижной мембране могут возникать полости, облегчающие движение через мембрану мелких водорастворимых молекул, например, глюкозы. Холестерол способствует более плотной упаковке мембраны в области гидрофильных доменов.
Хотя молекулы холестерола могут легко перескакивать (flip-flop) между слоями, они обычно скапливаются в наружном слое, тем самым утолщая слой.
Фосфоинозитиды
Фосфоинозитиды — еще один важный класс мембранных липидов. Липиды этого семейства непосредственно участвуют в передаче некоторых сигналов в клетку с использованием двух высокоактивных молекул:
1. Фосфорилированного инозитола. Это - небольшие гидрофильные молекулы которые связываются с внутренними рецепторами, и открывают кальциевые каналы и пропускают ионы кальция в цитозоль.
2. Диацилглицерин (DAG). Используется для интерпретации поступающих сигналов и реакции на них клетки, что крайне важно для жизненных процессов клетки.
Белково-липидная мозаика
Белки составляют приблизительно 50% от массы большинства клеточных мембран.
Крупное открытие в области взаимодействия мембранных белков и липидов сделали д-р Джон Зингер (Jon Singer) и его студент Гарт Николсон (Garth Nicholson), показавшие, что большая часть мембранных белков погружена в мембрану почти перпендикулярно (Singer and Nicholson, 1972). В результате была предложена модель мембраны типа белково-липидной мозаики (жидкостно-мозаичная модель).
Периферические белки
Как указывалось выше, периферические мембранные белки, в отличие от интегральных, не погружены в липидный бислой и не соединены с ним ковалентно. Они удерживаются в основном сильными ионными взаимодействиями. Более того, периферические белки тесно ассоциированы с интегральными белками в мембране так называемыми белок-белковымивзаимодействиями. Приведем два важнейших периферических белка.
●Спектрин, который находится на внутренней поверхности клетки
●Фибронектин, локализованный на наружной поверхности мембраны.
Специализация мембран
Трансмембранные домены
Трансмембранные домены рецепторов можно разделить на две группы. Первое, очень большое семейство рецепторов, пронизывает мембрану семь раз. Это свойство настолько характерно для членов семейства, что их называют «семь раз пересекающими рецепторами», или «серпантинными» рецепторами. Другое важное свойство этих политопных рецепторов — использование ими белков семейства внутриклеточных тримерных гуанозинтрифосфатаз (ГТФазы) (G-белков) в качестве начального эффектор-активирующего субстрата.
β2-адренергический рецептор и родопсин с их трансмембранными доменами, пересекающими мембрану семь раз, представлены на рисунке.
По общей структуре все члены семейства серпантинных рецепторов похожи, однако все они отличаются друг от друга по способности связывать различные классы лигандов.
Лекция № 7.
МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ
и функциональные компоненты клеточных мембран
Основные термины
Клеточные мембраны
Липиды
Глицерофосфолипиды
Сфинголипиды
Гликосфинголипиды
Холестерол
Амфифильный
Простагландины
Фосфоинозитол
Интегральные белки
Трансмембранные однократно-пересекающие белки
Трансмембранные многократно-пересекающие белки
Периферический белок
Строение мембраны