Физиология биологической мембраны

План :

Актуальность темы

1.Современные представления  о структуре биологических мембран  .

2.Свойства фосфолипидного  бислоя .

3.Функций мембранных белков .

4.Ионные каналы.

5.Виды и механизмы транспорта 

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Актуальность  темы

Физиология биологической  мембраны — базовый раздел физиологии клетки и возбудимых тканей, имеющий  большое значение для медицины. Нарушение  мембранных процессов — причина  многих заболеваний (например, атеросклероза, гипертонической болезни, вирусных и бактериальных инфекционных заболеваний, отравлений, поражений ионизирующим излучением, опухолевых заболеваний). Лечение как «мембранных» патологий, так и заболеваний, казалось бы, не связанных с мембранами часто  связано с воздействием на функционирование биологических мембран. 
       Изучением сложного химического состава мембран, мембранных белков и других веществ занимается биохимия. Основная область приложения биофизики — структурная основа мембраны, а именно двойной слой фосфолипидных молекул, физиологии — функция мембран. Можно сказать, что сложилась весьма динамично развивающаяся новая интегративная наука —мембранология.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Современные  представления о структуре биологических  мембран

Биомембраны представляют собой белково-липидные образования в виде листков толщиной от 5 до 10 нм; у млекопитающих мембраны содержат особенно много фосфолипидов и холестерина. Структурная единица мембраны - двойной слой фосфолипидов, в котором молекулы обращены друг к другу цепями жирнокислотных остатков и удерживаются гидрофобными связями. Полярные отрицательно заряженные головки фосфоли-пидных молекул, обращенные кнаружи, взаимодействуют с водой, белками и другими гидрофильными веществами. Жесткие молекулы холестерина погружены в мембрану между молекул фосфолипидов и сфинг олипидов.

Липидный бислой, находящийся в жидкокристаллическом состоянии, с обеих сторон покрыт белками. Белки могут быть интегральными, прочно встроенными в мембрану, и ассоциированными (белками внутреннего "каркаса" клетки - цитоскелета - или наружными покровными); последние непрочно связаны с мембраной межионными взаимодействиями и могут обратимо отщепляться. Большинство интегральных белков пронизывают липидный бислой насквозь и имеют полярные участки с обеих сторон. Мембранные белки выполняют следующие функции:

•   перенос через  мембрану ионов и различных веществ, в основном полярных;

•   межклеточное взаимодействие;

•   рецепция (распознавание  и связывание) гормонов, антигенов  и других агентов;

•   ферментативное действие.

Вещества могут проходить  через биомембраны следующими путями:

•   Пассивным - простая  диффузия по градиенту концентрации. Так транспортируются газы (О2, СО2) и  простые молекулы (этанол); скорость диффузии зависит от гидрофобности  молекул, т.е. их растворимости в  мембранных липидах.

•    Облегченным   -   с   помощью   специфических   мембранных   белков-переносчиков. Перенос идет быстрее простой  диффузии, но его максимальная скорость ограничена.

•   Активным - против градиента  концентрации за счет энергии гидролиза  АТФ, с помощью специфических  мембранных переносчиков. Созданные  при этом градиенты ионов   могут использоваться для транспорта других молекул (аминокислоты, моносахариды).

 

2.Свойства фосфолипидного бислоя

Фосфолипиды — сложные липиды, в которых содержатся жирные кислоты, фосфорная кислота и дополнительная группа атомов, во многих случаях содержащая азот. Они есть во всех живых клетках. Содержатся в нервной ткани, участвуют в транспорте жиров, жирных кислот и холестерина.

Фосфолипиды входят в состав всех клеточных мембран. Между плазмой и эритроцитами происходит обмен фосфолипидами, которые играют важнейшую роль, поддерживая в растворимом состоянии неполярные липиды. Наиболее распространенная группа Фосфолипидов — фосфоглицериды, также к фосфолипидам относятся фосфосфинголипиды и фосфоинозитиды.

Фосфолипиды — амфифильные вещества. Они состоят из полярной «головки», в состав которой входит глицерин или другой многоатомный спирт, отрицательно заряженный остаток фосфорной кислоты и часто несущая положительный заряд группа атомов, и двух неполярных «хвостов» из остатков жирных кислот. Главная особенность фосфолипидов состоит в том, что «головка» у них гидрофильна, а «хвосты» гидрофобны. Это позволяет при нахождении в толще водной среды образовывать бислой — двойной слой фосфолипидных молекул, где гидрофильные головы с обеих сторон соприкасаются с водой, а гидрофобные хвосты упрятаны внутрь бислоя и тем самым защищены от контакта с водой.

Это определяет многие физические и химические свойства фосфолипидов, например, способность формировать липосомы и биологические мембраны (липидный бислой). Химическая структура полярной «головки» определяет суммарный электрический заряд и ионное состояние фосфолипида. «Хвосты» контактируют с липидным окружением, а «головки» — с водным, так как неполярные жирные хвосты не могут соприкасаться с водой.

 

3.Функций мембранных белков

Сигнальная функция

Сигнальная функция белков — способность белков служить  сигнальными веществами, передавая  сигналы между клетками, тканями, органами и организмами. Часто сигнальную функцию объединяют с регуляторной, так как многие внутриклеточные  регуляторные белки тоже осуществляют передачу сигналов.

Сигнальную функцию выполняют  белки-гормоны, цитокины, факторы роста и др.

Гормоны переносятся кровью. Большинство гормонов животных —  это белки или пептиды. Связывание гормона с его рецептором является сигналом, запускающим ответную реакцию  клетки. Гормоны регулируют концентрации веществ в крови и клетках, рост, размножение и другие процессы. Примером таких белков служит инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы  в крови.

Клетки взаимодействуют  друг с другом с помощью сигнальных белков, передаваемых через межклеточное вещество. К таким белкам относятся, например, цитокины и факторы роста.

Цитокины — пептидные сигнальные молекулы. Они регулируют взаимодействия между клетками, определяют их выживаемость, стимулируют или подавляют рост, дифференцировку, функциональную активность и апоптоз, обеспечивают согласованность действий иммунной, эндокринной и нервной систем. Примером цитокинов может служить фактор некроза опухоли, который передаёт сигналы воспаления между клетками организма.

Транспортная  функция

Растворимые белки, участвующие  в транспорте малых молекул, должны иметь высокое сродство (аффинность) к субстрату, когда он присутствует в высокой концентрации, и легко его высвобождать в местах низкой концентрации субстрата. Примером транспортных белков можно назватьгемоглобин, который переносит кислород из лёгких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к лёгким, а также гомологичные ему белки, найденные во всех царствах живых организмов.

Некоторые мембранные белки  участвуют в транспорте малых  молекул через мембрану клетки, изменяя  её проницаемость. Липидный компонент  мембраны водонепроницаем (гидрофобен), что предотвращает диффузию полярных или заряженных (ионы) молекул. Мембранные транспортные белки принято подразделять на белки-каналы и белки-переносчики. Белки-каналы содержат внутренние заполненные водой поры, которые позволяют ионам (через ионные каналы) или молекулам воды (через белки-аквапорины) перемещаться через мембрану. Многие ионные каналыспециализируются на транспорте только одного иона; так, калиевые и натриевые каналы часто различают эти сходные ионы и пропускают только один из них. Белки-переносчики связывают, подобно ферментам, каждую переносимую молекулу или ион и, в отличие от каналов, могут осуществлять активный транспорт с использованием энергии АТФ. «Электростанция клетки» — АТФ-синтаза, которая осуществляет синтез АТФ за счёт протонного градиента, также может быть отнесена к мембранным транспортным белкам

Рецепторная функция

Белковые рецепторы могут  находиться как в цитоплазме, так  и встраиваться в клеточную мембрану. Одна часть молекулы рецептора воспринимает сигнал, которым чаще всего служит химическое вещество, а в некоторых  случаях — свет, механическое воздействие (например, растяжение) и другие стимулы. При воздействии сигнала на определённый участок молекулы — белок-рецептор — происходят её конформационные изменения. В результате меняется конформация другой части молекулы, осуществляющей передачу сигнала на другие клеточные компоненты. Существует несколько механизмов передачи сигнала. Некоторые рецепторы катализируют определённую химическую реакцию; другие служат ионными каналами, которые при действии сигнала открываются или закрываются; третьи специфически связывают внутриклеточные молекулы-посредники. У мембранных рецепторов часть молекулы, связывающаяся с сигнальной молекулой, находится на поверхности клетки, а домен, передающий сигнал, внутри

 

 

4.Ионные каналы

Ионные каналы образованы белками, они весьма разнообразны по устройству и механизму действия. Известно более 50 видов каналов, каждая нервная клетка имеет более 5 видов  каналов. Состояние активацииионного канала обычно длится около 1 мс, иногда до 3 мс и значительно больше. При этом через один канал может пройти 12-20 млн ионов.

Классификация ионных каналов:

1. По возможности управления различают управляемые и неуправляемые каналы (каналы утечки ионов). Через неуправляемые каналы ионы перемещаются постоянно, но медленно, естественно при наличии электрохимического градиента, как и в случае быстрого перемещения ионов по управляемым каналам.
2. В зависимости от стимула, активирующего или инактивирующего управляемые ионные каналы, основными каналами нейронов ЦНС являются потенциалчувствительные и хемочувствитель-ные каналы. При взаимодействии медиатора (лиганда) с рецепторами хемочувствительного канала, расположенного на поверхности клеточной мембраны, может происходить открытие его ворот, поэтому хемочувствительный канал называют также рецеп-торуправляемым каналом. Лиганд — это биологически активное вещество или фармакологический препарат, активирующий или блокирующий рецептор. Открытие ворот хемочувствительных каналов происходит в результате конформационных изменений рецепторного комплекса. Ворота потенциалзависимых каналов открываются и закрываются при изменении величины мембранного потенциала. Поэтому в конструкции их воротного механизма должны быть частицы, несущие электрический заряд.
3. По скорости движения ионов каналы могут быть быстрыми и медленными .
4. В зависимости от селективности различают селективные каналы, пропускающие только один ион, и каналы, не обладающие селективностью. В нейронах имеются Na-, K-, Са- и С1-селективные каналы. Есть каналы, пропускающие несколько ионов, например Na+, K+ и Са2+, т.е. не обладающие селективностью. Наиболее высока степень селективности потенциалчувствительных (потенциалзависимых) каналов, несколько ниже она у хемочувствительных (рецепторзависимых) каналов постсинаптических мембран, через каналы которых могут одновременно проходить ионы Na+ и К+.

 

5.Виды и механизмы  транспорта 

Мембранный транспорт  — транспорт веществ сквозь клеточную  мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных  механизмов — простой диффузии, облегченной диффузии и активного  транспорта.

Важнейшее свойство биологической  мембраны состоит в ее способности  пропускать в клетку и из нее различные  вещества. Это имеет большое значение для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, то есть способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие.

Транспорт сквозь липидный бислой (простая диффузия) и транспорт при участии мембранных белков

Легче всего проходят через  липидный бислой неполярные молекулы с малой молекулярной массой (кислород, азот, бензол). Достаточно быстро проникают сквозь липидный бислойтакие мелкие полярные молекулы, как углекислый газ, оксид азота, вода, мочевина. С заметной скоростью проходят через липидный бислой этанол и глицерин, а также стероиды и тиреоидные гормоны. Для более крупных полярных молекул (глюкоза, аминокислоты), а также для ионов липидный бислой практически непроницаем, так как его внутрення часть гидрофобна. Так, для воды коэффициент проницаемости (см/с) составляет около 10−2, для глицерина — 10−5, для глюкозы — 10−7, а для одновалентных ионов — меньше 10−10.

Перенос крупных полярных молекул и ионов происходит благодаря  белкам-каналам или белкам-переносчика. Так, в мембранах клеток существуют каналы для ионов натрия, калия и хлора, в мембранах многих клеток — водные каналы аквапорины, а также белки-переносчики для глюкозы, разных групп аминокислот и многих ионов.

Активный и  пассивный транспорт

Пассивный транспорт —  транспорт веществ по градиенту  концентрации, не требующий затрат энергии. Пассивно происходит транспорт  гидрофобных веществ сквозь липидный бислой. Пассивно пропускают через себя вещества все белки-каналы и некоторые переносчики. Пассивный транспорт с участием мембранных белков называют облегченной диффузией.

Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят  через мембрану вещества с затратами  энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Симпорт, антипорт и унипорт

Мембранный транспорт  веществ различается также по направлению их перемещения и  количеству переносимых данным переносчиком веществ: