Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 25)

Модели биологических мембран

В 1935 г. модель Даниэля Доусона унитарная модель био мембран. Липидный бислой – структурная основа. Наружный и внутренний слои – глобулярные белки. Симметричная модель.

Модель Робертсона (середина 60х г). Мембрана представляет собой 3х слойную структуру, средний слой из липидов. Белковые молекулы развернуты на поверхности двойного липидного слоя вследствие электростатических взаимодействий заряженными головками фосфолипидов. Модель Робертсона ассимметрична, так как на наружной поверхности мембраны – гликопротеиды.

В группе моделей предполагается наличие белков матрицы. Модель Лючи (середина 60х г.) – белково-кристаллическая модель. Модель(1970) сохраняется концепция липидного бислоя, однако этот слой прирастается участками симметрично расположенных белков, они жестко фиксированны пространственно за счет дальнодействующих белок-белковых свойств.

Модель Сенгера и Николсона. 60-70 г. Основа – липидный бислой, в который включены молекулы интегральных и периферических белков. Жидкомозаичная модель (естественно, тоже ассиметричная).. С ее помощью объясняется проницаемость мембран.

ПОЛИМОРФИЗМ

Модельные липидные мембраны:

Липосомы (фосфолипидные везикулы) получаются при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду. При этом бислой собирается сам, а минимуму энергии Гиббса соотвествует моноламеллярная форма мембраны. Собираются они, естественно, как нормальная мембрана: гидрофобными незаряженными хвостами внутрь. Моноламеллярные липосомы используют в исследованиях биологического и медико-биологического характера. Тем не менее, малый внутренний объем и осмотическая неактивность липосом существенно сужают круг этих исследований. В последнее время разработаны методики получения больших (100 нм в диаметре и более) моноламеллярных липосом, которые лишены этих недостатков.

Однако на практике при простых механических воздействиях образуются в основном многослойные частицы (диаметром в несколько микрометров) с концентрической организацией слоев - мультиламеллярные липосомы или везикулы (мешочки). В этих частицах липидные бислои отделяют внутреннюю водную фазу от внешнего раствора. Такая организация по-зволяет использовать мультиламеллярные липосомы для исследования барьерных свойств липидного слоя. Мультиламеллярные липосомы осмотически активны: они изменяются в объеме при изменении осмотических свойств внешней среды.

Протеолипосомы. Многие мембранные белки и мелкие фрагменты биологических мембран сравнительно легко могут быть включены в состав искусственных везикулярных мембран. Такие комбинированные системы называются протеолипосомами. Эффективность встраивания большинства белков компонентов в искусственные мембранные системы резко зависит от липидного состава мембран, pH, солевого состава, температуры и т. д. Как правило, эффективность встраивания белков или липопротеиновых фрагментов мембраны возрастает в присутствии небольших количеств детергентов. Полагают, что мелкие молекулы детергентов заполняют дефекты на границе белковой молекулы в мембране, экранируя гидрофобные участки мембраны от воды.

Другой тип модельных мембран - плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ). Получаюься на маленьких отверстиях диаметром околого 1 нм в пластинке из пластика, погруженной в водную среду. На отверсие капают липидов растворителе (спирт, хлороформ), которыц потом диффундирует в воду, а липиды истончаются до тех пор, пока не образуется бимолекулярный липидный слой. Их ипользуют для изучения электрических св-в мембраны, проницаемости, функции (барьерную, например), транспорт и т.д.

Прямое и непрямое действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды. Эффект Дейла

+

Билет 27

Физико-химические механизмы стабилизации мембран. Фазовые переходы в

мембранных системах. Подвижность мембранных белков.

Мембрана находится в жидкокристаллическом состоянии, то есть в физическом состоянии, при котором есть дальний поток во взаимной ориентации и расположении молекул, но агрегатное состояние остается жидким.

Жидкокристаллическое состояние:

• только для молекул, у которых продольные размеры больше поперечных (“длинные молекулы”)

• спектр как у жидкости

• чувствительны к изменению температуры, давления, хим состава, электрическому полю, что обуславливает динамичность бислоя (фазовые переходы)

Фазовый переход липидов первого рода (данные методов рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии и т.д.):

Понижение температуры - переход в гель-состояние (“твердокристаллическое”, еще более упорядоченное). При плавлении углеводород­ная цепь частично искривляется с образованием петли, или кинка. Увеличение числа кинков способствует разупорядоченности угле­водородной зоны.

Чтобы обеспечить постоянство жидкокристаллического состояния, существует адаптивное изменение химического состава мембраны, обеспечивающее изменение температуры фазового перехода. Температура фазового пе­рехода увеличивается с увеличением длины цепи и уменьшается с увели­чением числа двойных связей жирнокислотных остатков (до 4 штук на хвост). Точка фазового перехода для них лежит в области отрицательных температур. В гелеподобном состоянии углеводородные цепи находятся в транс-конформации, а в жидкоподобном - они разупорядочены.

При образовании поры

Энергия мембраны зависит от поверхностного натяжения. Если в мембране появ­ляется дефект типа сквозной поры, то энергия мембраны будет зависеть от ее радиуса. Энергия уменьшится на величину, равную суммарному поверхностному натяжению на площади, занятой порой, а также за счет изменения электрической емкости мембраны при появлении в ней структурного дефекта. В результате оказывается, что зависимость энер­гии мембраны от радиуса дефекта имеет вид кривой с максимумом. Видно, что дефекты малого радиуса будут исчезать, однако дефек­ты с радиусом, большим критического (ф₀), будут необратимо увеличи­ваться, приводя к разрыву мембраны. Величина критического радиуса уменьшается с ростом наложенной на мембрану разности потенциалов, чем и объясняется увеличение вероятности механического разрыва мем­бран в электрическом поле.

Зависимость энергии дефекта в мембране Е от его радиуса r отсутствии электрического поля и при наложении раз­ности потенциалов ф,1 - при ф = 0 2 - при ф > 0; вверху справа -изображение поры в бислое:

Химия: Также было показано, что при фазовых переходах из геля в ж/к увеличивается число сквозных каналов, переносящих ионы и низкомолекулярные соединения. Выброс солей и воды при понижении t может спасти клетку от криоповреждений.

Организация мембранных белков

Большая часть мембранных белков находится в виде клубка (≥70%), основная часть может разворачиваться на поверхности липидного бислоя вследствие электростатического взаимодействия с липидными головками. В этом случае белки будут расположены на поверхности липидов в виде спирали.

Родоспин, М=28000 Да, форма сферы, d=4 нм, мелкая молекула.

Динамические свойства белков.

1. Латеральная диффузия. все значения для белков с М=100000, К=3*10–10 см/сек. Но белки могут объединяться в кластеры, которые мало подвижны.

2. Вращательная диффузия К=0,34 сек.

3. flip-flop переходы, К=10–4 сек – частота flip-flop перехода.

Радиационно-индуцированные окислительные процессы в липидах.

ЦЕПНЫЕ СВОБОДНОРАДИКАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕКИСНОГО ОКИСЛЕНИЯ ЛИПИДОВ В КЛЕТКЕ

Инициирование цепной реакции начинается с того, что в липидный слой БМ проникают активные радикалы, например ОН*, рис. 2. В процессе облучения происходит активация взаимодействия активных радикалов с полиненасыщенными жирными кислотами LH и образование липидных радикалов L*. Последние вступают в реакцию с растворенным в среде молекулярным кислородом (более эффективно реакция протекает с активными формами кислорода – АФК и пероксинитритом). При этом образуются прооксиданты – свободные радикалы липидов: алкоксил LO* или пероксил LO₂*, радикалы, которые в свою очередь взаимодействуют с соседними молекулами полиненасыщенных фосфолиподов БМ и образуют гидроперекись липида LOOH и вновь липидный радикал L*. При действии ионизирующих излучений уровень LOOH в клетке и вследствие многократного накопления образуется избыток ППОЛ: гидроперекисей, эпоксидов, альдегидов, кетонов, которые оказывают токсическое действие на клетку. Установлено, что избыток ППОЛ-ЛРТ способен вызвать широкий спектр повреждающего действия на клеточные структуры, оказывает генотоксическое действие на хромосомы и ДНК, вызывает задержку деления и гибель клетки. Также доказано, что ЛРТ обладают мутагенной активностью.Из конечных продуктов ПОЛ идентифицированы: малоновый диальдегид (МДА), акролеин и кротоновый альдегид, эпоксид ЭГН. Экспериментально показано, что упомянутые продукты-оксиданты обладают не только токсическим действием, но и проявляют в большей или меньшей степени генотоксический, мутагенный и канцерогенный эффекты в клетках, тканях и органах млекопитающих, одиночных клетках и других биологических объектах.

​Накопление ОН* и Н₂О₂ является не только результатом радиационно-индуцированного четырехэлектронного неферментативного восстановления кислорода в клетке, но радиолиза воды. Гидроксид-радикал – чрезвычайно активный окислитель и способен разрушать фактически любую, находящуюся рядом с ним молекулу в клетке. Действуя на тиольные белковые молекулы, ОН* денатурирует их и инактивирует ферменты. В нуклеиновых кислотах гидроксид-радикал вступает в реакции с основаниями, образуя продукты повреждения в геноме, а также разрушает углеводные мостики между нуклеотидами и вызывает разрывы цепей ДНК и РНК. Этим самым ОН* способен вызывать мутации и гибель клеток. Взаимодействуя с БМ, гидроксид-радикал внедряется в липидный слой и инициирует цепные реакции липопероксидации. Вероятность непосредственного взаимодействия ОН* с ядерной ДНК малая. Диффундирующей «скрытой» формой гидроксида-радикала является перекись водорода, более длительно живущая и содержащаяся в клетке в относительно больших количествах. Молекула Н₂О₂«доставляет» (вступая в реакцию с ионом металла) ОН* к хроматину и мембранным структурам.

​Еще один радиационный агент – NO, один из древних и универсальных регуляторов систем внутри- и межклеточной сигнализации. Малые размеры и отсутствие заряда обеспечивают газообразной молекуле NO высокую проницаемость через плазматические и внутриклеточные мембраны. Имея один электрон с неспаренным спином NO ( структурная формула *N=O) обладает высокой реакционной активностью. Обнаружено, что в тканях γ-облученных животных синтезируется избыток оксида азота. Наряду с другими радикалами оксид азота и его производные являются ключевыми факторами воспаления, инфекций, канцерогенеза, а также развития стрессорных и адаптивных ответов организма. Показано также, что цитотоксические и цитогенетические эффекты обусловлены образованием чрезвычайно активного окислителя – пероксинитрита, возникающего при реакции взаимодействия оксида азота с супероксидным анион-радикалом:

NO*+O₂*^-→ONO₂^-

​Установлено, что пероксинитрит и его протонированная форма, диффундируя в клетке и проникая через мембраны с помощью переносчиков анионов, имеют уникальный спектр химической реактивности: разрывы цепочек и окисление оснований ДНК, нитрование гуанина и белков, окисление липидов биологических мембран и т.д. В результате подобных реакций могут наступать цитогенетические эффекты и мутагенез.

Билет 28

Влияние внешних экологических факторов на структурно-функциональную организацию биомембран.

Влияние состава и динамических свойств мембраны

Функциональная активность мембранных белков в первую очередь зависит от динамических свойств липидного матрикса мембраны, обеспечивающих конформационную подвижность фермента — способность белковой молекулы совершать обратимый конформационный переход из напряженного состояния в расслабленное. Такая возможность зависит от плотности упаковки липидов, которая в свою очередь зависит от состава мембран. Обычно при температурах ниже критической (Ткр — температура фазового перехода «гель — жидкий кристалл», индивидуальна для каждой мембраны, например в бислойных мембранах чистого фосфатидилхолина Ткр составляет 23°) мембраны слишком упорядочены, чтобы обеспечивать конформационную лабильность белков [1]. Однако, ферменты в клетках спящих губернантов (животных, впадающих в зимнюю спячку) могут функционировать даже при понижении температуры ниже, чем Ткр. Дело в том, что при подготовке к зимнему периоду происходит изменение фосфолипидного состава мембран животных — увеличение содержания полиненасыщенных жирных кислот в их составе. Такие липиды концентрируются вблизи гидрофобных участков белков и формируют слой так называемых пограничных (аннулярных) липидов, отличающихся от липидов общей фазы мембраны. В этом случае белки окружены более рыхлой упаковкой липидов таким образом, что активность ферментов оказывается на достаточно высоком уровне для поддержания жизнедеятельности клеток этих животных. В настоящее время считают, что контролирование активности большинства ферментов в биомембране осуществляется на уровне молекулярных взаимодействий белка с этим слоем, т.е. за счет локальной липидной регуляции.

Мембранное окружение играет важную роль в модуляции активности разнообразных мембранных ферментов. Причем липид-белковые и белок-белковые взаимодействия могут приводить к проявлению особых свойств ферментов и осуществлению процессов, которые не могут реализоваться в гомогенной водной среде. Изменение способности ферментов к связыванию с мембраной (например, при слущивании мембранных белков с плазматической мембраны или нарушении целостности мембран) может приводить к потере их функциональной активности. Изучение особенностей функционирования ферментов в составе реальных мембран затруднено одновременным протеканием в них множества взаимосвязанных процессов, поэтому для изучения свойств мембранных ферментов, как правило, используют различные модельные мембранные системы.

Характеристики

Список файлов вопросов/заданий