3.1: Основні поняття в мембранах
- Page ID
- 2557
Джерело: BiochemFFA_3_1.pdf. Весь підручник доступний безкоштовно від авторів за адресою http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy
ліпідні бішари
Захисна мембрана навколо клітин містить багато компонентів, включаючи холестерин, білки, гліколіпіди, гліцерофосфоліпіди, сфінголіпіди. Останні два з них, при енергійному змішуванні з водою, спонтанно утворюють так званий ліпідний бішар (рис. 3.1), який служить захисною межею для клітини, яка значною мірою непроникна для руху більшості матеріалів по ній. За помітними винятками води, вуглекислого газу, окису вуглецю та кисню, більшість полярних/іонних потребують транспортних білків, щоб допомогти їм ефективно орієнтуватися по бішару. Впорядкований рух цих сполук має вирішальне значення для того, щоб клітина могла 1) отримувати їжу для енергії; 2) експортувати матеріали; 3) підтримувати осмотичний баланс; 4) створювати градієнти для вторинного транспорту; 5) забезпечити електрорушійну силу для нервової сигналізації; і 6) накопичувати енергію в електрохімічних градієнтах для АТФ виробництво (окислювальне фосфорилювання або фотосинтез). У деяких випадках для переміщення речовин потрібна енергія (активний транспорт).
Полегшена дифузія
В інших випадках зовнішня енергія не потрібна і вони рухаються шляхом дифузії по конкретних клітинних каналах. Це називається полегшеною дифузією. Перш ніж обговорити рух матеріалів по мембранах, доречно обговорити склад клітинних мембран. Плазмові мембрани відрізняються від клітинних стінок як матеріалами, що їх містять, так і гнучкістю. Клітинні стінки будуть покриті ближче до кінця цієї глави.
Хоча деякі клітини не мають клітинних стінок (клітини тварин), а інші - (бактерії, гриби та рослини), існує спільність між клітинами в тому, що всі вони мають плазматичні мембрани. Існує також спільність компонентів мембран, хоча відносна кількість складових варіюється. Малюнки 3.1 і 3.2 ілюструють будову і середовища плазмових мембран. Всі плазматичні мембрани містять значну кількість амфіфільних речовин, пов'язаних з жирними кислотами. До них відносяться гліцерофосфоліпіди і сфінголіпіди. Жирні кислоти (и) позначені як гідрофобні хвости на малюнках.
Гідрофільні головки
Склад гідрофільних головок значно варіюється. У гліцерофосфоліпідах завжди присутній фосфат, звичайно, і його часто етерифікують до іншої речовини, щоб зробити фосфатид (рис. 3.3). Загальні сполуки, пов'язані з фосфат (в положенні X) включають серин, етаноламін, і холін. Вони різняться за своїми зарядами, тому таким чином можна контролювати заряд на зовнішній або внутрішній поверхні. Клітини, як правило, мають більше негативних зарядів на зовнішній половині ліпідного бішару (званого зовнішньою листівкою) та більше позитивних зарядів на внутрішній половині (внутрішній листівці).
сфінголіпіди
У сфінголіпідах (рис. 3.4) гідрофільна головка може містити фосфат, пов'язаний з етаноламіном або холіном, і це описує структуру сфінгомієліну, важливого компонента нервових мембран. Більшість сфінголіпідів не вистачає фосфату і мають замість нього гідрофільну головку одного цукру (цереброзиди) або складний олігосахарид (гангліозиди).
Відключення води
У кожному випадку гліцерофосфоліпідний або сфінголіпід має один кінець, який є полярним, і один кінець, який є неполярним. Як ми бачили в організації амінокислот з гідрофобними бічними ланцюгами, що відбуваються переважно на внутрішній стороні складеного білка, щоб виключити воду, так само неполярні частини цих амфіфільних молекул влаштовують себе так, щоб виключити воду. Пам'ятайте, що цитоплазма клітини - це в основному вода, а зовнішня частина клітини зазвичай купається у водному шарі. Тому має сенс, що полярні частини молекул мембрани влаштовують себе так, як вони - полярні частини зовні взаємодіють з водою і неполярні частини в середині бішару уникаючи/виключаючи воду.
Композиція упередженості
Плазмова мембрана має чіткі зміщення складу щодо її внутрішньої і зовнішньої сторони (рис. 3.7). По-перше, глікозилювання (ліпідів і білків) мають групи цукру, розташовані майже виключно на зовнішній стороні клітини, далеко від цитоплазми (рис. 3.8). Серед мембранних ліпідів сфінголіпіди набагато частіше глікозильовані, ніж гліцерофосфоліпіди. Крім того, деякі з гліерофосфоліпідів виявляються переважно з одного або іншого боку (рис. 3.7). Фосфатидилсерин та фосфатидилетаноламін переважно знаходяться у внутрішній листівці плазматичної мембрани, тоді як фосфатидилхолін має тенденцію розташовуватися на зовнішній листівці. У процесі апоптозу фосфатидилсерини з'являються на зовнішньому листку, де вони служать сигналом макрофагам для зв'язування і руйнування клітини. Сфінголіпіди переважно виявляються в плазматичній мембрані і майже повністю відсутні на мембранах мітохондріальної та ендоплазматичної ретикулуму (рис. 3.9).
органельні мембрани
Зсув ліпідного складу також існує щодо мембран органел. Наприклад, незвичайний дифосфодігліцероліпід, відомий як кардіоліпін, майже тільки зустрічається в мембранах мітохондрій (див. ТУТ) і, як фосфатидилсерин, його рух є важливим кроком апоптозу. У сигналізації фосфатидилінозитоли відіграють важливу роль, забезпечуючи другі посланці після розщеплення (див. ТУТ).
Бічна дифузія
Рух ліпідів всередині кожної листівки ліпідного бішару відбувається легко і швидко завдяки плинності мембрани. Цей тип руху називається бічною дифузією і може вимірюватися методикою під назвою FRAP (рис. 3.10, див. Тут також). У цьому методі лазер вражає і забарвлює ділянку ліпідного бішару клітини, залишаючи пляму, як показано в Б. з часом пляма розсіюється в кінцевому підсумку по всьому ліпідному бішару, так само, як крапля чорнила буде розсіюватися по всьому при додаванні до склянки води. Вимірювання швидкості дифузії дає вказівку на плинність мембрани.
Поперечна дифузія
У той час як рух в бічній дифузії відбувається швидко, рух молекул з одного листочка на інший листочок відбувається набагато повільніше. Цей тип молекулярного руху називається поперечною дифузією і практично не існує при відсутності дії ферменту. Пам'ятайте, що відбувається зміщення розподілу молекул між стулками мембрани, а значить, щось повинно рухатися ними.
Є три ферменти, які каталізують рух сполук в поперечній дифузії. Фліппази переміщують мембранні гліцерофосфоліпіди/сфінголіпіди з зовнішнього листка на внутрішній листок (цитоплазматична сторона) клітини. Флопази рухають мембранні ліпіди в зворотному напрямку. Скремблази рухаються в будь-якому напрямку.
Інші компоненти ліпідного бішару
Окрім гліцерофосфоліпідів та сфінголіпідів, існують інші матеріали, які зазвичай зустрічаються в ліпідних бішарах клітинних мембран. Два важливих виділяються - холестерин (рис. 3.13) і білки. Крім того, що служить метаболічним попередником стероїдних гормонів і жовчних кислот, головна роль холестерину в клітині полягає в мембранах. Площинність і гідрофобність стеринових кілець дозволяють холестерину взаємодіяти з неполярними частинами ліпідного бішару, тоді як гідроксильна група на кінці може взаємодіяти з гідрофільної частиною.
плинність мембрани
Функція холестерину в ліпідному бішарі складна (рис. 3.13). Він впливає на плинність мембрани. На малюнку 3.14 показаний фазовий перехід для мембрани при її нагріванні, переходячи від більш «замороженого» характеру до більш «рідкого» характеру при підвищенні температури. На середину цього переходу, іменовану Tm, впливає жирнокислотний склад ліпідних двошарових сполук. Довші та насичені жирні кислоти сприятимуть більш високим значенням Tm, тоді як ненасиченість та короткі жирні кислоти сприятимуть більш низьким значенням Tm. Саме з цієї причини риби, які живуть в прохолодних умовах, мають в них більш високий рівень ненасичених жирних кислот - використовувати для виготовлення мембранних ліпідів, які будуть залишатися текучими при температурах океану. Цікаво, що холестерин не змінює значення Tm, а натомість розширює діапазон переходу між замороженими та рідкими формами мембрани, дозволяючи їй мати більш широкий діапазон плинності.
Ліпідні плоти
Холестерин також рясно міститься в мембранних структурах, які називаються ліпідними плотами. Зображені на малюнку 3.15, ліпідні плоти - це організовані структури всередині мембрани, як правило, містять сигнальні молекули та інші інтегральні мембранні білки. Ліпідні плоти впливають на плинність мембран, нейротрансмісію та торгівлю рецепторами та мембранними білками.
особливості
Відмінними рисами плотів є те, що вони більш впорядковані, ніж навколишні їх бішари, містять більше насичених жирних кислот (більш щільна упаковка і менша дезорганізація, як наслідок) і до 5 разів більше холестерину. Вони також відносно багаті сфінголіпідами, з цілих 50% більшою кількістю сфінгомієліну, ніж навколишні ділянки бішару. Більш висока концентрація холестерину в плотах може бути обумовлена його більшою здатністю зв'язуватися з сфінголіпідами (рис. 3.16). Деякі групи, такі як пренілірованние білки, такі як RAS, можуть бути виключені з ліпідних плотів.
Ліпідні плоти можуть забезпечити концентруючі платформи після того, як окремі білкові рецептори зв'язуються з лігандами при сигналізації. Після активації рецепторів відбувається на ліпідному плоту, сигнальний комплекс забезпечить захист від нерафтових ферментів, які могли б інактивувати сигнал. Наприклад, загальною особливістю сигнальних систем є фосфорилювання, тому ліпідні плоти можуть забезпечити захист від дефосфорилювання ферментами, які називаються фосфатазами. Ліпідні плоти, здається, беруть участь у багатьох процесах передачі сигналів, таких як сигналізація рецепторів антигену Т-клітин, сигналізація рецепторів антигену В-клітин, сигналізація рецепторів EGF, сигналізація імуноглобуліну Е, сигналізація рецепторів інсуліну та інші. Детальніше про сигналізацію дивіться ТУТ.
Бар'єр
Транспортування матеріалів через мембрани має важливе значення для існування клітини. Ліпідний бішар є ефективним бар'єром для входу більшості молекул, і без засобів, що дозволяють молекулам їжі потрапляти в клітину, він загинув би. Первинні молекули, які вільно рухаються через ліпідний бішар, невеликі, незаряджені, такі як H2O, CO2, CO та O2, настільки більші молекули, як глюкоза, що клітина потребує енергії, були б ефективно виключені, якби не було білків для полегшення її руху по мембрані.
На малюнку 3.17 зображений бар'єр, який ліпідний бішар забезпечує для руху через нього, і тиск (іонне тяжіння, в даному випадку), які можуть впливати на рух. Потенційна енергія від заряду та різниці концентрацій збираються клітинами для цілей, які включають синтез АТФ та переміщення матеріалів проти градієнта концентрації в процесі, який називається активним транспортом.
мембранні протеїни
Білки в ліпідному бішарі можуть сильно варіюватися в кількості, залежно від мембрани. Вміст білка за вагою різних мембран зазвичай коливається від 30 до 75% за вагою. Деякі мітохондріальні мембрани можуть мати до 90% білка. Білки, пов'язані з мембранами і пов'язані з ними, бувають декількох типів.
трансмембранні білки
Трансмембранні білки - це інтегральні мембранні білки, які повністю пролітають від одного боку біологічної мембрани до іншої і міцно вбудовані в мембрану (рис. 3.18). Трансмембранні білки можуть функціонувати як стикувальні місця для прикріплення (наприклад, до позаклітинного матриксу), як рецептори в клітинній сигнальній системі або полегшувати специфічний транспорт молекул всередину або з клітини.
Приклад інтегрованих/трансмембранних білків включають тих, хто бере участь у транспорті (наприклад, Na+/K+ATPase), іонні канали (наприклад, калієвий канал нервових клітин) та передачу сигналу через ліпідний бішар (наприклад, рецептори, пов'язані з білком G).
Білки периферичної мембрани взаємодіють з частиною бішару (зазвичай не передбачає гідрофобних взаємодій), але не проектують через нього. Хорошим прикладом є фосфоліпаза А2, яка розщеплює жирні кислоти з гліцерофосфоліпідів в мембранах. Асоційовані мембранні білки зазвичай не мають зовнішніх гідрофобних областей, тому вони не можуть вбудовуватися в частину ліпідного бішару, але знаходяться поблизу них. Така асоціація може виникнути в результаті взаємодії з іншими білками або молекулами в ліпідному бішарі. Хорошим прикладом є рибонуклеаза.
Закріплені мембранні білки
Закріплені мембранні білки самі по собі не вбудовані в ліпідний бішар, а замість цього прикріплені до молекули (зазвичай жирної кислоти), яка вбудована в мембрану (рис. 3.19). Хорошими прикладами є сімейство онкогенів білків, відоме як ras. Ці білки закріплені на ліпідному бішарі шляхом приєднання до неполярних фарнезильних груп, каталізованих ферментом фарнезилтрансферазою.
Більш тонка класифікація
Більш детальна схема класифікації додатково класифікує інтегральні і закріплені білки на шість різних типів (рис. 3.20). Тип I і II тип мають лише одну порцію білка, що проходить через мембрану. Вони відрізняються орієнтацією амінного і карбоксильного кінця по відношенню до всередині/зовні. Трансмембранні білки I типу мають амінокінцевий кінець зовні і карбокси-кінцевий зсередини, тоді як білки типу II мають це зворотне. Білки III типу - це єдиний поліпептидний ланцюг, який має кілька областей його перетинаються назад і вперед по мембрані, часто утворюючи канал. IV тип являє собою мультиполіпептидний білок, який має множинні схрещування мембрани. Трансмембранні білки типу V не мають частини з них, яка перетинає мембрану, але вони закріплені на мембрані ліпідним (наприклад, жирною кислотою), вбудованим в ліпідний бішар. Трансмембранні білки типу VI мають частину з них, яка перетинає мембрану, і вони прикріплені до ліпідного, вбудованого в ліпідний бішар.
типи крові
Клітини мають сотні-тисячі мембранних білків і білковий склад мембрани змінюється залежно від її функції та розташування. Глікопротеїни, вбудовані в мембрани, відіграють важливу роль у клітинній Групи крові, наприклад, відрізняються один від одного будовою вуглеводних ланцюгів, що виступають з поверхні глікопротеїну в їх мембранах (рис. 3.21).
Осмотичний тиск
Мембрани забезпечують бар'єри/межі для більшості молекул, але проникність води через ліпідний бішар створює змінну, яку необхідно враховувати. Змінним тут є осмотичний тиск. Осмотичний тиск (нещільно) відноситься до схильності розчину до забору води процесом осмосу. На малюнку 3.22 можна побачити наочне уявлення про поняття тиску.
П-подібна труба має в своєму дні напівпроникну мембрану. Вода може проходити через мембрану, але молекули цукру (C6H12O6) не можуть. З лівого боку додається цукор, створюючи різницю концентрацій між правою і лівою камерами. Вода дифундує по мембрані справа наліво в спробі вирівняти концентрації, в результаті чого рівень правої сторони знижується, а лівої - збільшення. Тиск, що виникає в результаті перепадів висот, відчувається на мембрані.
вирівнювання концентрацій
Рідина праворуч не повністю рухається вліво, хоча, як можна було очікувати, якщо єдиною силою є вирівнювання концентрації цукру по всій мембрані (немає цукру праворуч = немає води). Натомість досягається рівновага різних рівнів води, навіть якщо концентрації не рівні. Тиск, що існує на мембрані тоді від перепадів рівня, відповідає осмотичному тиску суміші. Осмотичний тиск розчину - це різниця тисків, необхідна для зупинки потоку розчинника через напівпроникну мембрану. Осмотичний тиск також можна розглядати як тиск, необхідний для протиосмосу. Осмотичний прес- Малюнок 3.21 - Групи крові виникають з глікопротеїнів поверхні клітин Рис. 3.22 - Осмотичний тиск. Вода розсіюється вліво, щоб спробувати вирівняти концентрацію розчиненої речовини. Тиск, реалізований на мембрані в правильному малюнку, є осмотичним тиском, впевненим у розбавленому розчині, математично поводиться як ідеальний закон газу.
\[P_{osmotic} = \dfrac{nRT}{V}\]
де n - число молів, R - газова константа, T - температура в Кельвіні, а V - об'єм.
Зручніше в рішеннях працювати з молярністю, тому
\[P_{osmotic}= MR^* T\]
де M - молярність розчинених молекул, R* - газова константа, виражена в (L атм)/(K моль), а T - температура. Грецька буква використовується для позначення P осмотичного терміна, так
\[Π = MR^* T\]
Пам'ятайте при розрахунку молярності, щоб включити молярність кожної частинки. Наприклад, при розчиненні сахарози в розчині вона не розщеплюється на більш дрібні частинки, тому
\[Molarity_{Particles} = Molarity_{Sucrose}\]
Однак для солей, таких як КОН, який утворює два іони в розчині (K+ і OH-),
Молярність частинок = 2* Молярність КОН.
Значний розгляд
Осмотичний тиск є значним фактором для клітин. Враховуйте той факт, що вода може вільно переміщатися по клітинних мембранах, але більша частина вмісту клітини, наприклад білки, ДНК, іони, цукру і т.д., не може. По-друге, концентрація цих сполук всередині клітини відрізняється від концентрації їх зовні клітини. По-третє, оскільки вода може рухатися через ліпідний бішар, вона буде, як правило, рухатися в напрямку, який буде схильний вирівнювати розчинену речовину.
Гіпотонічна, гіпертонічна, ізотонічна
Розглядаємо три ситуації (рис. 3.23). По-перше, якщо концентрація розчинених речовин більша всередині клітини, ніж зовні, вода буде, як правило, переміщатися в клітину, викликаючи набухання клітини. Ця обставина називається гіпотонічним. І навпаки, якщо концентрація розчиненої речовини більша за межами клітини, ніж всередині неї, вода вийде з клітини, а клітина зі скороченням. Це гіпертонічна ситуація. Останнє, якщо концентрації розчинених речовин в клітині і поза нею рівні, це називається ізотонічним розчином. Тут не відбувається руху води по клітинній мембрані і клітина зберігає свої розміри.
Якщо осмотичний тиск більше сил, що утримують клітинну мембрану, клітина розірветься. Через це деякі клітини вбудували захисні сили, щоб запобігти проблемам. Клітини рослин, наприклад, мають досить жорстку клітинну стінку, яка чинить опір розширенню в гіпотонічних розчинами (рис. 3.24). Бактерії також мають клітинну стінку, яка забезпечує захист.
