Динамика биологических мембран. Подвижность белков и липидов
Динамика биологических мембран. Подвижность белков и липидов
РЕФЕРАТ
на
тему: «Динамика биологических мембран. Подвижность липидов
и белков»
Выполнила:
студентка2курса 5группы
О.А. Гольцова
Проверил:
ст. преподаватель
Д.В.Коврижных
Структурная основа
биологических мембран - билипидный слой. В продольной плоскости биологическая
мембрана представляет собой сложную мозаику из разнообразных липидов и белков,
причем их распределение по поверхности биологической мембраны неоднородно. В
некоторых биологических мембранах имеются обширные участки билипидного слоя,
практически свободные от белков (напр., в эритроцитах белки занимают только 35%
площади поверхности всей мембраны биологической, в микросомах-23%). При высоком
содержании белка в биологических мембранах липиды не образуют сплошной бислой,
а располагаются в виде отдельных вкраплений между белковыми молекулами. Сам
билипидный слой в мембране может иметь доменную структуру в результате, напр.,
сосуществования несмешиваемых липидных фаз, находящихся в двух различных физ.
состояниях - гелевом и жидкокристаллическом. Часть липидов в биологических
мембранах может находиться также в составе так называемых небислойных фаз
(мицеллярная фаза, гексагон. фаза и др.).
Липиды - основной
строительный материал, из которого формируются клеточные мембраны. Сложность,
многообразие и изменчивость липидного состава мембран позволяет предположить,
что они участвуют также в регуляции важнейших мембранных процессов. Основные
липидные компоненты биологических мембран - фосфолипиды, гликолипиды и стерины.
Каждая группа этих липидов представлена большим числом разнообразных
соединений. Так, в мембране эритроцитов человека содержится не менее 20 различных
представителей основного фосфолипида этой мембраны - фосфатидилхолина; в целом
же в мембране эритроцитов идентифицировано ок. 200 различных липидов.
Мембранные белки. Молекулярная
масса мембранных белков обычно варьирует в пределах от 10 тыс. до 240 тыс. Они
значительно различаются между собой по прочности связывания с мембраной. Белки,
наз. периферическими или поверхностными, сравнительно слабо связаны с мембраной
и отделяются от нее в мягких условиях, напр. в растворах, имеющих высокую
ионную силу или содержащих комплексоны. Намного прочнее связаны с мембраной так
называемые интегральные, или внутримембранные, белки . Чтобы их выделить,
требуется, как правило, предварительно разрушить мембрану с помощью ПАВ или
орг. растворителей.
Мембранные белки наряду
с липидами играют важную структурную роль, кроме этого они ответственны за
выполнение подавляющего большинства специализированных функций отдельных
мембран. Они служат катализаторами протекающих в мембранах и на их поверхности
реакций (дыхание), участвуют в рецепции гормональных и антигенных сигналов и
т.п. (аденилатциклаза), выполняют транспортные функции, обеспечивают пиноцитоз
(захват клеточной поверхностью и поглощение клеткой жидкости), хемотаксис
(перемещение клетки, обусловленное градиентом концентраций вещества в среде) и
т.п. Многие из периферических белков-компоненты цитоскелета (совокупность
филаментов и микротрубочек цитоплазмы) и связанных с ним сократитительных элементов,
которые обусловливают форму клетки и ее движение.
Динамические свойства
биологических мембран обусловлены текучестью билипидного слоя, гидрофобная
область которого в жидкокристаллическом состоянии имеет микровязкость,
сравнимую с вязкостью легкой фракции машинного масла. Поэтому молекулы липидов,
находящиеся в бислое, обладают довольно высокой подвижностью и могут совершать
разнообразные движения - поступательные, вращательные и колебательные.
В случае липидов
большой вклад в подвижность дают внутримолекулярные движения углеводородных
цепей. Они происходят путем гош-транс-поворотов смежных звеньев углеводородной
цепи вокруг связи С—С. Благодаря высокой конформационной подвижности цепей в
них постоянно возникают изгибы и изломы, что приводит к нарушению регулярного
расположения липидных молекул в бислое и к появлению в нем дефектов упаковки,
называемых "кинки" и "джогги".
Внутримолекулярная
подвижность различных участков липидной молекулы, находящейся в бислое,
неодинакова. Наименьшей подвижностью обладает глицериновый остов молекулы, который
служит как бы жестким "якорем", ограничивающим движения близлежащих
участков углеводородных цепей. По направлению к середине бислоя подвижность
цепей возрастает и становится максимальной в области концевых метильных групп.
Довольно высокой недвижностью обладает также полярная головка липидной
молекулы.
Помимо движений
отдельных участков липидной молекулы относительно друг друга в жидкокристаллическом
бислое происходят также движения всей молекулы как единого целого. Они
включают: аксиальное вращение молекулы вокруг ее длинной оси, перпендикулярной
к плоскости бислоя, маятниковые и поплавочные колебания молекулы относительно
ее равновесного положения в бислое, перемещение молекулы вдоль бислоя
(латеральная диффузия) и перескок ее с одной стороны бислоя на другой. Все эти
движения совершаются с разными скоростями.
Аксиальное вращение
липидных молекул происходит очень быстро с частотой порядка 107-108с-1, тогда
как латеральная диффузия осуществляется гораздо медленнее. Тем не менее при
среднем коэффициенте латеральной диффузии липидов ок. 10-8см, измеренном для многих
биологических мембран, липидной молекуле потребуется всего 1 с, чтобы
промигрировать от одного конца клетки до другого. Очень медленно протекает в
липидном бислое флип-флоп. Обычно полупериод флип-флопа составляет величины
порядка нескольких часов или даже дней. Однако в некоторых мембранах скорость
флип-флопа может быть значительно выше (полупериод 1-2 мин), что объясняется
участием определенных интегральных белков в переносе липидных молекул через
мембрану.
Иммобилизация липидов
может происходить в результате латерального фазового разделения, приводящего к
образованию гелевой фазы, или при их взаимодействии с белками. Предполагается,
что интегральные белки окружены пограничным слоем липидных молекул ,
подвижность которых ограничена или, по крайней мере, нарушена в результате
контакта с неровной поверхностью белковой глобулы.
Внутримолекулярная динамика
мембранных белков изучена меньше, чем липидов. Известно лишь, что боковые
заместители на тех участках полипептидной цепи, которые погружены в билипидный
слой, в значительной мере иммобилизованы. Многие мембранные белки способны
легко диффундировать вдоль мембраны и обладают довольно высокой вращательной
подвижностью. Но даже в случае самых подвижных белков измеряемые коэффициентом диффузии
примерно на порядок ниже, чем для липидных молекул. Времена вращательной
релаксации для интегральных белков лежат в диапазоне от 20 до 500 мкс, а коэф.
латеральной диффузии (вдоль бислоя) варьирует от 7.10-9 до 10-12см2.с-1.
Для объяснения наиболее
общих механизмов функционирования и регуляции живой клетки предлагается новый
принцип - принцип жизненной динамики или динамики всех физико-химических
процессов в ней. Принцип может быть сформулирован следующим образом:
"Существование живой клетки невозможно без непрерывного,
саморегулирующегося процесса распада и образования связей самой различной
природы (ионных, ковалентных, водородных, а также ион-дипольных,
ориентационных, индукционных, дисперсионных и гидрофобных взаимодействий) в
системе биологических мембран, включающей и мембраны клеточных органелл".
Учитывая центральную
роль биологических мембран в регуляции клеточного метаболизма, жизненная
динамика должна включать всю совокупность процессов возникновения и распада
внутри- и межмолекулярных взаимодействий и вызываемых ими движений молекул,
сложных молекулярных комплексов и надмолекулярных образований в живой клетке.
Сюда входят реакции свободнорадикального окисления липидов биологических
мембран, которые вместе с процессами гидролиза богатых энергией соединений
могут вызывать структурные и конформационные изменения в мембранах и приводить
к латеральным (в плоскости мембраны) и трансферальным (перпендикулярно к ней)
автоколебательным движениям структурных компонентов биомембран.
Такие автоколебательные
движения обеспечивают трансмембранный транспорт биологически важных веществ и
продуктов их взаимодействия с соединениями и ионами из окружающей клетку среды
и с метаболитами, образующимися на обеих поверхностях биомембран, а также
синхронизируют во времени и пространстве функционирование мембраносвязаных и
свободных ферментов, находящихся в околомембранном пространстве.
Следует подчеркнуть особое
значение автоколебаний биологических мембран для транспорта молекул, их
ассоциатов и ионов. Колеблющиеся участки мембран могут выполнять при этом роль
своеобразного насоса, в основании действия которого лежит в среднем
направленное вибрационное перемещение частиц под действием в среднем
ненаправленных периодических сил.
В целом, описанное выше
сочетание процессов может обеспечивать их пространственно-временную
упорядоченность, т. е., организацию живой клетки как целостной, открытой
(непрерывно обменивающейся веществом, энергией и информацией с внешней средой),
неоднородной, динамической системы, которая саморегулируется и
самовоспроизводится. В такой системе компартментализация играет роль важнейшего
фактора регуляции, с помощью которого осуществляется координация функций всех
других регуляторных систем, включая генетические, и обеспечивается динамический
порядок: все необходимое доставляется в соответствующее место, в определенное
время и в необходимом количестве.
Значение организации
для биологических систем А. Сент-Дьерди определил следующим образом: "Один
из основных принципов биологии организация; это означает, что две системы,
составленные вместе определенным образом, образуют новую единицу - систему,
свойства которой не аддитивны и не могут быть описаны посредством свойств
составляющих ее частей". Именно образование и поддержание организации
живой клетки, как целостной, открытой, неоднородной, динамической системы,
способной к саморегуляции и самовоспроизводству, представляет собой фундаментальное
отличие жизненной динамики от любой другой совокупности физико-химических
процессов. В ходе эволюции от одноклеточных к многоклеточным организмам со
специализацией клеточных функций динамика отдельных клеток определила (и в этом
объяснение термина "жизненная") динамику поведения образований более
высоких уровней - тканей, органов и целостных организмов, как открытых
целостных систем иерархического строения. При этом важнейшим связующим звеном в
динамике всех систем организма являются процессы, которые протекают на
плазматической мембране, отделяющей клетку от внешней среды. По словам Т. Уотермена:
"Свойства плазматической мембраны лежат в основе специфического потока
веществ и энергии в организм и из него, а, следовательно, и в основе
характеристик организма, как открытой системы". При таком подходе генному
аппарату клетки неизбежно остается роль фактора стабильности при ее
самовоспроизводстве и функционировании или, говоря другими словами, роль нот,
по которым исполняется "музыка жизни", характерная для данного
организма. Следует особо подчеркнуть, что столь радикальный пересмотр
взаимоотношений в системе "ядро-цитоплазма" в пользу главенства
цитоплазмы не противоречит законам современной генетики, поскольку касается
лишь механизмов экспрессии генов в клетках высших организмов и во многом
углубляет представления целостной картины живого. Принцип жизненной динамики
можно рассматривать как современный, конкретизированный для живых клеток, с
учетом особенностей их состава и пространственного строения, вариант основного
принципа термодинамического объяснения функционирования живых систем - принципа
устойчивого неравновесия, сформулированного Э.С. Бауэром. В разработке этого
варианта использован концептуальный аппарат термодинамики сильно неравновесных
сложных открытых динамических систем, а также синергетики - науки о
самоорганизации таких систем. Непрерывные физико-химические изменения молекул в
процессах жизненной динамики приводят к изменению их дипольных моментов и, как
следствие, к неравновесной поляризации структурных компонентов мембранной
системы клеток (диэлектриков по своей физической природе). Это может
обусловливать так называемый "биоэлектретный эффект", который
проявляется в виде электростатических микрополей живых клеток. Генерируемые
таким образом поля достаточны по своей величине для того, чтобы влиять в свою
очередь на протекание процессов жизненной динамики. В результате возникает
единый комплекс взаимосвязанных изменений химического и электрического
состояния вещества, образующего живую клетку, так что воздействие на одну из
составляющих комплекса неизбежно приводит к перестройке других составляющих, а
следовательно, и комплекса в целом.
|