Диссертация (1103678), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Разные формы такой модификации представлены на рисунке 1.2, где показана способностьбелковых молекул изменять структурную упаковку бислоя иРисунок 1.2 − Схема взаимодействия белков (1) с липидным бислоем (2) [9]его толщину. Внедренные белки упорядочивают липидный бислой и делают егоструктуру более жесткой. Считают, что это происходит за счет «прилипания» иограничения подвижности липидных молекул. При этом бислой изменяет своиразмеры и кривизну (А−В), создается асимметрия бислоя. Асимметрия бислоя –это фактор, обеспечивающий создание градиента кривизны, складок, сморщиваний, отшнуровку частей мембраны. При этом соотношение гидрофобных и гидрофильных областей в молекуле интегрального белка будет влиять на толщинубислоя (Г−Д).В состав цитоскелета входят 12 различных белков с молекулярной массойот 25 до 250 кДа (Рисунок 1.3).
Основнымбелком «цитоскелета» являетсяспектрин. Он существует в клетке преимущественно в форме протяженных тет-14рамеров, составленных из двух димерных единиц a и ß, связанных фосфолипидными «головками» [10, 11]. Концы тетрамеров присоединены к узлам сетки, образуя решетку. Изображение спектриновой сети − рисунок 1.4 получено методамиэлектронной микроскопии для спектрина, растянутого с помощью гипотонического раствора.
Состоящая в основном из ячеек треугольной формы сеть спектрина может иметь дефекты, и форма ячеек может отличаться от идеально треугольной. Длина стороны ячейки решетки, расширенной в гипотоническом растворе составляет 115−200 нм (среднее 166.4) [12,13].А — схема расположения белков в цитоскелете эритроцитов: / — спектрин; 2 — анкирин; 3 — белок полосы 3;4 — белок полосы 4,1; 5 — белок полосы 4,9; 6 — олигомер актина; 7 — белок полосы 6; 8 — гликофорин; 9— мембрана. Б — электрофореграмма белков цитоскелета: 1,2 — спектрины; 2,1 — анкирин; 5 — актин; 6 —неидентифицированный белок; 7 — тропомиозин; 8 — гликофорин Л; 9— гликофорин В; 10 — гликофорин С;остальные белки обозначены цифрами, соответствующими их положению на электрофореграммеРисунок 1.3 − Схема цитоскелета эритроцита [2]Следует заметить, что димеры спектрина могут самостоятельно объединяться нетолько в тетрамеры, но и в пентамеры, гексамеры и высшие олигомеры [12,14].Узлы сетки включают в себя элементы структуры − короткие филаменты актина,трансмембранный (интегральный) белок полосы 4.1, а также аддуцин, которыестабилизируют спектрин-актиновый комплекс.Функции ряда белков установлены.
Наибольшая фракция − полоса 3 − представлена белком гликопротеином с молекулярной массой 90 кДа, который взаимодействуя с мембраной, одновременно обеспечивает транспорт ионов черезбислойи связывание ряда цитоплазматических ферментов. Белковая сеть15прикреплена к липидному бислою с помощью двух типов связей : во-первых,между спектрином и анкирином, при этом анкирин взаимодействует с интегральным белком полосы 3,во-вторых, между белком протеина полосы 4.1 иинтегральным белком гликофорином С [15,16] – рисунок 1.5. Места прикрепления цитоскелета к бислою не являются постоянными и могут изменяться.Рисунок 1.4 − Изображение мембранного цитоскелета, выполненное с помощьюэлектронного микроскопа[7]. Цитоскелет выделен из теней эритроцитов и зафиксирован глутаровым альдегидом а), б) − увеличенное изображение части цитоскелетаНаличие цитоскелета обеспечивает дополнительную прочность мембраны.
Насыщенный углеводными компонентами наружный слой мембраны (его называют также гликокаликсом) играет важную роль в проявлении адгезивныхсвойств эритроцита и его иммунных реакций. Гликокаликс состоит из гликопротеинов, протеогликанов и глюкозаминогликанов и связывается с мембранными структурами с помощью специальных белков-рецепторов, образуя подвижную структуру.Рисунок 1.5 − Схематическое изображение связей спектрин-актиновой сети с липидным бислоем [10]Из вышесказанного следует: поскольку материал мембраны эритроцитарасполагается по поверхности клетки в виде тонкой пленки, и радиусы кривизныклеточной поверхности намного превышают толщину мембраны, для расчетовприменимы уравнения теории тонких оболочек [1].
В дальнейшем в тексте будут16использоваться оба (равнозначных) термина «мембрана» и «оболочка». Предполагается, что свойства мембраны так же, как у многослойного материала, изотропны вдоль поверхности. Липидный бислой соединен со спектриновым слоеминтегральными белками. Спектрин, связанный с короткими нитями актина, образует сеть с ячейками преимущественно треугольной формы. Длина стороныячейки спектриновой решетки, расширенной в гипотоническом растворе составляет 115−200 нм.1.1.2 Механические свойства мембраны эритроцитаБлагодаря тому, что мембрана эритроцита является двухмерной, сплошнойсредой, которая достаточно четко отделена от цитоплазмы и других соседствующих сред, возможно проведение экспериментов по определению ее механических характеристик.
Количественные оценки механических характеристикэритроцита впервые были получены А. Качальским в экспериментах с осмотическим набуханием клеток, в которых трансмембранное давление определялось по уравнениям химического равновесия [17]. Исходя из этих опытов, дляэритроцитов человека было найдено значение поверхностного модуля упругости(жесткости) мембраны порядка 3⋅10 мН/м (дин/см). Надо заметить, что модульупругости мембраны равен поверхностному модулю упругости мембраны, деленному на толщину мембраны и имеет размерность мН/м2. Эти экспериментывключали также определение толщины биомембраны, составляющей около 10нм.Результаты экспериментов с втягиванием мембран эритроцитов микропипеткой диаметром порядка 2 мкм были опубликованы Рандом в работе [18].
Вэтих экспериментах было обнаружено, что в течение короткого промежуткавремени мембраны могут выдерживать натяжение порядка 20 мН/м (дин/см),но лопаются даже при меньшем значении натяжения, если оно поддерживается в течение нескольких минут. Различным состояниям эритроцита – дискоцитаи сфероцита, соответствуют отличающиеся на порядки значения поверхностногомодуля упругости. Более полно рассмотрели проблему механического равновесия17и деформации мембран эритроцитов Фанг и Тонг [19].
Ими было показано, чтоможно получить почти сферическую форму при однородной толщине мембраныи постоянном значении модуля упругости. Oни отметили, что эффекты изгибамембраны в процессе деформирования малы: эритроциты лишь в небольшихпределах изменяют форму без какого-либо растяжения поверхности.Анализ процесса деформирования эритроцита был основан на дальнейшем развитии классической теории тонких оболочек. В теории оболочек обычнопредполагаются малые деформации и изотропность свойств материала в трехизмерениях. Фанг и Тонг [20] ввели в анализ осмотического набухания эритроцитов теорию больших деформаций.
Однако предположение об изотропности в трехизмерениях не позволило удовлетворительно описать свойства мембраны эритроцита.Дальнейшими исследованиями было установлено, что структура мембраныможет быть изотропной по направлениям вдоль ее поверхности, но имеет дискретную молекулярную структуру в поперечном направлении - по толщине. Эксперименты с формоизменением эритроцитов показали, что их деформирование вфизиологических условиях происходит при постоянной площади поверхности ичто увеличение площади при растяжении всего на несколько процентов ведет к разрывам мембраны эритроцитов [21,22].Однако, в работе [23] было показано, что больших удлинений можно такжедостичь и при постоянной площади поверхности. Все рассмотренные противоречия, касающиеся процессов деформирования и определения поверхностных модулейупругости, были объяснены в работах Ивенса И.А.
и Скейлака Р. [24, 25]. Были составлены определяющие уравнения, в которых разделены упругие эффекты изменения площади поверхности и деформации растяжения при постоянной площади. Было показано, что большие значения модулей в опытах с набуханием эритроцитов связаны с большим сопротивлением мембран к изменению их площади.Малые силы, необходимые для вытягивания мягких, ненапряженных эритроцитов,обусловлены малыми поверхностными модулями упругости мембраны, характерными для деформации сдвига (или растяжения при постоянной площади − если рас-18сматривать деформацию в главных осях) [26,27,28,29].
Мембрана отчасти ведет себя подобно «двухмерной резине».Существуют различные точки зрения относительно того, какую форму мембраны считать начальной. Например, в работе [21] предполагалось, что исходной,ненапряженной формой является поверхность однородной кривизны. Однако, этиавторы рассматривали только энергию изгиба, не учитывая поверхностной упругости. Нормальная двояковогнутая форма интерпретировалась как преднапряженное состояние и является результатом минимизации энергии изгиба или упругого изменения кривизны и обеспечивается созданием внутри эритроцитов небольшого отрицательного давления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
