Добавил:
kiopkiopkiop18@yandex.ru Вовсе не секретарь, но почту проверяю Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

2 курс / Нормальная физиология / Молекулярная_физиология_Пятин_В_Ф_,_Баишева_Г_М_и_др_

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
24.03.2024
Размер:
4.4 Mб
Скачать

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» МИНИСТЕРСТВА ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В.Ф. Пятин, Г.М. Баишева, И.В. Широлапов, Е.Н. Веретельник

Молекулярная физиология

Учебное пособие для преподавателей

истудентов медицинских вузов

ибиологических факультетов

Издание 2-е, переработанное, дополненное

Самара, 2016

1

УДК 576.32/.36

ISBN 978-5-9909123-0-4

В.Ф. Пятин, Г.М. Баишева, И.В. Широлапов, Е.Н. Веретельник

Молекулярная физиология: Учебное пособие для преподавателей и студентов медицинских вузов и биологических факультетов. Издание 2-е, переработанное,

дополненное. – Самара, 2016: Издательство ООО «АВИД», 156 стр.

Молекулярная физиология – направление биологии, которое фокусируется на научных исследованиях динамических интерактивных процессов и биохимических коммуникацийнасубклеточномуровне.Молекулярнаяфизиологиякакпредметвключает знания об ионных каналах и транспортерах, путей молекулярного сигнализирования, эндокринный контроль и регуляцию, передачу генетической информации, системы гомеостатического и молекулярного контроля, электрофизиологию и сенсорные механизмы, синтез белков и прикладные методы исследования и технологии.

Основное внимание в предлагаемом студентам и преподавателям учебном пособии уделено молекулярной организации биологической мембраны. Подробно рассматриваются молекулярная структура и функционирование ионных каналов мембраны клеток, строение и функции надмембранных и подмембранных структур цитолеммы, молекулярные основы синаптической передачи, представлена информация о методах и приборах, используемых в современной молекулярной физиологии.

Цель курса - показать достижения в современной физиологии на основе применения инновационных биомедицинских исследований, стимулировать интерес студентов к получению знаний на новом молекулярном уровне физиологических процессов в организмечеловека,продемонстрироватьзначениеэтойинформациидляформирования клинического мышления врача.

Настоящее пособие предназначено для оказания учебно-методической помощи студентам медицинских вузов и биологических факультетов в изучении молекулярной физиологии, для формирования общекультурных и профессиональных компетенций у студентов лечебного (ОК 1; ПК 16), педиатрического (ОК 1, ОПК 9А,Б, ПК 21) факультетов.

Рецензенты:

Мирошниченко Игорь Васильевич — заведующий кафедрой нормальной физиологии ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный медицинский университет» Минздрава России, д.м.н., профессор.

ВедясоваОльгаАлександровнапрофессоркафедрыфизиологиичеловекаи животныхФГАОУВО«Самарскийнациональныйисследовательскийуниверситет имени академика С.П. Королева» (Самарский университет), доктор биологических наук.

Учебное пособие утверждено ЦКМС ФГБОУ ВО СамГМУ Минздрава России

УДК 576.32/.36

ISBN 978-5-9909123-0-4

В.Ф. Пятин, Г.М. Баишева, И.В. Широлапов, Е.Н. Веретельник

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение........................................................................................................................

7

1. Методы молекулярной физиологии. Связь молекулярной физиологии с

 

другими науками.........................................................................................................

9

Вопросы для самоконтроля.........................................................................................

11

2. Молекулярная организация биологической мембраны.................................

12

2.1. Структура и функции биологических мембран. Цитолемма. Липидные

 

(мембранные) плоты. Мембранные белки...........................................................

12

Актуальность и клиническое значение................................................................

18

2.2. Ионные каналы................................................................................................

19

2.2.1. Na+-каналы, их свойства и принцип работы......................................

23

2.2.2. Ca2+-каналы, физиологическая модель. Кальциевые токи................

26

2.2.3. K+-каналы, их разновидности и механизмы

 

ионной селективности....................................................................................

30

2.2.4. Cl--каналы, их виды..............................................................................

35

2.2.5. Каналы синаптических везикул...........................................................

36

2.2.6. Лиганд-активируемые неселективные ионные каналы....................

36

2.2.7. Молекулярная организация механосенситивных каналов................

36

2.2.8. Водные каналы (аквапорины) – неионные каналы мембраны.........

38

Актуальность и клиническое значение.........................................................

38

2.3. Ионные насосы................................................................................................

40

Актуальность и клиническое значение................................................................

46

Вопросы для самоконтроля...................................................................................

47

3. Молекулярная организация надмембранных

 

и подмембранных структур цитолеммы................................................................

48

3.1. Компоненты надмембранных структур и их функции................................

48

3.2. Гликокаликс. Функции гликокаликса............................................................

49

3.3. Молекулярная организация базальной мембраны.......................................

50

3.4. Молекулярная организация подмембранных структур цитолеммы...........

52

3.5. Участие подмембранных структур в поддержании формы клеток

 

и клеточном движении. Эндоцитоз. Фагоцитоз..................................................

54

Актуальность и клиническое значение................................................................

56

Вопросы для самоконтроля...................................................................................

57

4. Межклеточные взаимодействия. Типы межклеточных контактов..............

58

Актуальность и клиническое значение................................................................

61

2

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Вопросы для самоконтроля...................................................................................

63

5. Сигнальная трансдукция......................................................................................

64

5.1. Клеточные рецепторы и механизмы их активации......................................

64

5.2. G-белок.............................................................................................................

66

5.3. Вторичные посредники...................................................................................

66

5.4. Этапы сигнальной трансдукции....................................................................

67

5.5. Взаимосвязи вторичных посредников.

 

Система кальций-кальмодулин.............................................................................

69

Актуальность и клиническое значение................................................................

71

Вопросы для самоконтроля...................................................................................

72

6. Молекулярные основы синаптической передачи возбуждения....................

73

6.1. Классификация синапсов................................................................................

73

6.2. Молекулярные особенности электрических и химических синапсов........

74

6.2.1. Электрический синапс..........................................................................

74

6.2.2. Химический синапс.

 

Этапы синаптической передачи возбуждения..............................................

74

6.3. Обзор молекулярного механизма функционирования

 

химического синапса..............................................................................................

77

6.3.1. Основные компоненты синаптических везикул.................................

77

6.3.2. Экзоцитоз синаптических везикул......................................................

80

6.3.3. Ответ постсинаптической мембраны. Постсинаптические

 

потенциалы на мембране клетки...................................................................

82

Актуальность и клиническое значение.........................................................

88

6.4. Типы трансмиттеров и механизмы их действия...........................................

90

Актуальность и клиническое значение................................................................

94

Вопросы для самоконтроля...................................................................................

98

Список литературы....................................................................................................

99

Терминологический словарь...................................................................................

100

ОГЛАВЛЕНИЕ

Приложения................................................................................................................

117

1.

Микроскопия подавления индуцированного излучения (STED)..................

117

2.

Некоторые методы, позволяющие наблюдать и характеризовать

 

липидные домены в мембранах живых клеток..................................................

118

3.

Липидный состав различных мембранных структур клеток........................

119

4.

Основные липидные компоненты мембран....................................................

120

5.

Разновидности мембранных плотов................................................................

120

6.

Схематическое изображение различных белков,

 

встроенных в мембрану........................................................................................

121

7.

Мозаичная организация поверхности простейшей

 

однокомпонентной мембраны..............................................................................

121

8.

Транспорт веществ через мембрану................................................................

122

9.

Механизмы ионной селективности.................................................................

123

10.

Роль ионных каналов в обеспечении работы сердца...................................

124

11. Рианодиновые рецепторы...............................................................................

125

12.

Разновидности токсинов, влияющие

 

на потенциалуправляемые ионные каналы.........................................................

126

13.

Распространенность различных изоформ аквапоринов..............................

128

14.

Протонный насос и его участие в секреции соляной кислоты...................

130

15.

Плазматическая мембрана с надмембранными и подмембранными

 

компонентами........................................................................................................

131

16.

Подмембранные структуры эритроцита.......................................................

132

17.

Фагоцитоз, пиноцитоз и рецептор-опосредованный

 

(клатрин-опосредованный) эндоцитоз................................................................

133

18.

Виды межклеточных контактов.....................................................................

134

19.

Рецепторы, сопряженные с G-белком............................................................

135

20.

Гетеротримерные G-белки..............................................................................

136

21.

Пути сигнальной трансдукции через гетеротримерные G-белки...............

138

22.

Мономерные G-белки.....................................................................................

139

23.

Механизм передачи возбуждения в электрическом

 

и химическом синапсах.........................................................................................

140

24.

Строение и жизненный цикл синаптических везикул.................................

141

25.

Схема ГАМК-ергической передачи...............................................................

142

26.

Схема глутаматергической передачи.............................................................

143

27.

Схема холинергической передачи..................................................................

145

28.

Схема адренергической передачи..................................................................

146

29.

Механизм возникновения ВПСП и ТПСП

 

на постсинаптической мембране.........................................................................

148

4

5

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

30.

Моторные белки, обеспечивающие внутриклеточный транспорт.

 

Аксональный траспорт.........................................................................................

151

31.

Оксид азота (NO) как паракринный медиатор..............................................

153

ВВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Молекулярная физиология – направление биологии, которое фокусируется на научных исследованиях динамических интерактивных процессов и биохимических коммуникаций на субклеточном уровне. Молекулярная физиология, как предмет включает знания об ионных каналах и транспортерах, путей молекулярного сигнализирования, эндокринный контроль и регуляцию, передачу генетической информации, системы гомеостатического и молекулярного контроля, электрофизиологию и сенсорные механизмы, синтез белков и прикладные методы исследования и технологии.

Молекулярный анализ биологических систем, таких как клетка, фокусируется на геномном, эпигеномном и транскриптомном, протеомном и метаболическом уровнях с применением интегративных компьютерных методов. Это открывает новый взгляд на патогенез хронических и пандемических заболеваний человека и состояний.

Из вышеперечисленного в настоящее время в молекулярной физиологии особенно интенсивно развиваются такие области знаний, как молекулярные механизмы сенсорной рецепции и межклеточная передача информации. Пониманиюфункционированиямеханизмовмембранныхрецепторныхсистем,прежде всего, будет способствовать знание процессов регуляции функции клетки, таких как внутриклеточная передача сигналов. Концепция вторичных посредников относится к фундаментальной в клеточной физиологии, а также в молекулярной медицине. В настоящее время известно порядка десяти молекул со свойствами вторичных посредников, к которым относят циклические нуклеотиды (cAMP, cGMP), инозитолтрифосфат (IP3), диацилглицерол (DAG), ионы кальция,полинуклеотидолигоА,оксидазота(NO),продуктыобменаарахидоновой кислоты и некоторое число субстанций липидной природы.

Во второй половине прошлого века и в начале нового столетия Нобелевской премией были отмечены открытия в области молекулярной физиологии: F. Gringard, L.Ingarro, R.Furchgott, F.Murad и другие.

Развитие молекулярной физиологии, как междисциплинарной области знаний, связано с изобретением и применением принципиально новых приборов молекулярного изображения. Поэтому учебное пособие открывается описанием методов и технологий, используемых в исследованиях современной молекулярной физиологии. Курс «Молекулярная физиология» организован из двух частей: курс лекций и курс семинарских занятий. В тематике лекций и семинарских занятий рассматриваются молекулярная организация и функции клеточной мембраны — ионные каналы и ионные насосы. Анализируются молекулярные механизмы межклеточных взаимодействий — сигнальная трансдукция; клеточные рецепторы и механизмы их активации; G-белок; вторичные посредники; этапы сигнальной трансдукции; взаимосвязи вторичных посредников; система кальций—кальмодулин; типы межклеточных контактов. Подробно анализируются молекулярные основы синаптической передачи возбуждения в биологических системах.

6

7

МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

Курс «Молекулярная физиология» был впервые организован на кафедре нормальной физиологии СамГМУ в 2013-2014 учебном году; включает 5 лекций и 3 семинарских занятия (36 часов) и обеспечен современным мультимедийным обеспечением.

Цель курса – дать представление о новых научных знаниях в области молекулярной физиологии, которые исследователи получают на основе примененияинновационныхбиомедицинскихисследований;стимулироватьинтерес студентов к изучению молекулярных механизмов физиологических процессов в организме человека; показать роль молекулярной физиологии для формирования клинического мышления врача.

1.МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИОЛОГИИ. СВЯЗЬ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИОЛОГИИ С ДРУГИМИ НАУКАМИ

Молекулярная физиология - междисциплинарное направление современной биологической науки, вобравшее в себя как классическую физиологию (в том числе эволюционную и сравнительную), так и новые разделы современной физико-химической биологии, включая молекулярную биологию, биохимию, биофизику и целый ряд других дисциплин.

Предмет молекулярной физиологии - выяснение молекулярных механизмов, обеспечивающих осуществление физиологических функций организма.

Методы молекулярной физиологии:

1.Электрофизиологические

2.Молекулярные

3.Иммунологические

4.Изобразительные подходы

Некоторые актуальные методы молекулярной физиологии (ПРИЛОЖЕНИЯ 1,2)

1.Конфокальная микроскопия

а) Изучение структуры объекта (3Dили Z-серия). С помощью кон-

фокального микроскопа можно получить несколько изображений виртуальных срезов клетки, или же собранную из них трехмерную модель.

б) Мультиспектральные исследования. Колокализация. Изучение взаимной локализации в клетке двух и более веществ, например, разных белков. Предварительно вещества или структуры метятся антителами с разными флуоресцентными метками. Способствует детальному исследованию морфологии фиксированных живых клеток и тканей.

МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

Рис. 1. Получение серии оптических срезов (Z-серия) с помощью лазерного сканирующего конфокального микроскопа

в) Изучение динамических процессов - прослеживание в живых орга-

низмах или клетках распространения каких-либо веществ, которые обладают либо собственной флуоресценцией, либо их необходимо метить флуоресцентными зондами.

Например:

исследование потоков ионов Са2+ через клеточные мембраны с использованием красителей типа FURAили FLUO, чувствительных к концентрации ионов;

изучение внутриклеточных сверхбыстрых процессов (в частности, динамической нестабильности цитоскелета) и межмолекулярных взаимодействий в живых клетках и тканях, таких как формирование лиганд-рецепторных комплексов, индукция апоптоза, внутриклеточный транспорт;

долгосрочное наблюдение за клеткой в естественных условиях.

г) Микроскопия подавления индуцированного излучения (STED). STED-микроскопия — один из современных оптических методов сверхвысокого разрешения. Принцип STED-методики сходен с конфокальной флуоресцентной микроскопией, но кроме возбуждающего лазерного импульса, запускающего свечение молекулфлуорофоров, в ней используется также гасящий импульс, уменьшающий эффективный радиус зоны возбуждения флуорофоров до ≈50 нм. В результате данный метод позволяет наблюдать за внутриклеточнымипроцессамисточностьюдонанометров. (ПРИЛО-

ЖЕНИЕ 1)

2.Метод поверхностного плазмонного резонанса (ППР)

Спомощью этого метода производят исследование физико-химических параметров взаимодействия отдельных высокоаффинных молекул, таких как рекомбинатные антитела и их антигены.

Метод ППР широко применяется при создании химических и биологических сенсоров (биосенсоров). При контакте с биообъектами (ДНК, вирусы,

8

9

МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

антитела) плазмонные эффекты позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, то есть значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов.

Метод регистрации ППР имеет преимущества перед классическими методами исследования межмолекулярного взаимодействия, поскольку не требует мечения реагентов ни радиоактивными, ни какими-либо еще метками и позволяет определять равновесные параметры взаимодействия без разделения свободных и связанных форм.

3.Высокочувствительное оптическое молекулярное изображение (напри-

мер, x-ray)

Рентгеновские лазеры, как правило, используют, чтобы изучить неживые

структуры. Так, микрокристаллические структуры идеально согласуются с оптическим поглощением, что позволяет провести крайне чувствительные измерения молекулярных трансформаций с получением моментальных снимков. Хотя при определенном подходе возможно избежать повреждения живых молекул от излучения, которое может накапливаться. В таком случае использование рентгеновских лазеров позволяет изучать активность биомолекул в динамике и получать на выходе ультразамедленные кадры их активности. Благодаря высокому временному разрешению рентгеновского лазера можно изучать шаги в цикле, который короче, чем 1 пикосекунда – такой быстрый процесс невозможно было поймать другими методами. Сверхбыстрые снимки могут быть собраны поэтапно с демонстрацией динамики молекулы в ультразамедленном воспроизведении.

4.Метод исследования движения отдельных частиц (Single particle tracking (SPT))

Метод наблюдения движения отдельных частиц в среде, применяется для изучения количественного «поведения» белка на поверхности клетки, в частности,дляпониманияклеточнойкинетикибелков,изученияброуновскойдиффузии, изучения мембранной диффузии. Метод основан на применении флуоресцентных или оптических меток.

5. Метод молекулярного моделирования

Молекулярное моделирование - собирательное название методов исследования структуры и свойств молекул вычислительными методами с последующей визуализациейрезультатов(компьютернаяграфика,3D-визуализация),обеспе- чивающиеихтрехмерноепредставлениепризаданныхврасчетеусловиях.Используется как для теоретического фундаментального представления о функционировании и взаимодействии молекул, так и в процессе создания новых лекарственных препаратов.

МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИОЛОГИИ

6. Техника patch clamp

Лабораторная электрофизиологическая техника изучения одного или нескольких ионных каналов в клетке.

Рис. 2. Техника patch clamp. Нейер и Сакманн (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1999 г.)

(a). схематическое изображение метода, представлены пассивный и активный электроды и мембрана клетки; (b). фотография клетки с введенными микроэлектродами.

Этот метод позволяет регистрировать на изолированных клетках их потенциалы, токи или одиночные ионные каналы посредством специальной стеклянной пипетки (patch-пипетки), напоминающей микроэлектрод, но имеющей сопротивление от 2 до 10 МОм, в зависимости от типа исследуемых клеток. Кроме того, метод позволяет регистрировать ионные каналы в изолированном кусочке мембраны, который может быть расположен по отношению к отверстию пипетки либо внешней, либо внутренней стороной.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Молекулярная физиология как наука. Определение понятия и задачи.

2.Историяразвитиямолекулярнойфизиологии.Какиеметодыисследования молекулярной физиологии Вам известны?

3.Предметисследованиямолекулярнойфизиологиииеесвязьсдругиминауками.

4.Методика patch-clamp: в чем суть технологии и возможности исследования?

5.Виды микроскопии, используемые в молекулярной физиологии.

6.Нобелевские лауреаты и другие видные ученые, удостоенные премий и научных наград за открытия в области молекулярной физиологии.

7.Молекулярная физиология для наномедицины и нанотехнологий.

10

11

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

2.МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

2.1. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Мембранные структуры клетки представлены поверхностной плазматической мембраной, отделяющей цитоплазму клетки от внеклеточной среды и мембранамивнутриклеточныхорганелл:ядра,эндоплазматическогоретикулума, аппарата Гольджи, митохондрий, везикул и т.д. Однако основные электрические клеточные процессы происходят на поверхности клеточной мембраны.

Рис. 3. Представленность биологических мембран в клетке. Показаны цитоплазматическая мембрана, мембраны митохондрий и ядра клетки и др. клеточных органелл (помечено красным цветом).

Строение биологических мембран

В настоящее время общепринятой является предложенная в 1972 г. Синджероми Николсономжидкостно-мозаичная модель строения биологических мембран (ПРИЛОЖЕНИЕ 7). Структурную основу биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов, инкрустированный белками.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Рис. 4. Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны. Основу биологической мембраны составляет липидный бислой, в который встроены белки.

Основными компонентами биологических мембран являются липиды и белки.

Липиды мембран.

Липидный состав мембран сбалансирован таким образом, чтобы обеспечить корректную и эффективную работу мембранных белков. Липиды мембран представлены 4 основными классами (ПРИЛОЖЕНИЯ 3, 4):

1)Фосфоглицериды

2)Сфингозамещенные липиды

3)Гликолипиды

4)Стероиды (холестерол)

Каждая из липидных молекул, кроме холестерола, имеет гидрофильную головку и два длинных гидрофобных углеводородных хвоста. Классическим представлением о строении мембраны является следующая модель: в толще водного раствора наиболее энергетически выгодным состоянием липида является бислой, где гидрофобные хвосты ориентированы друг на друга, а гидрофильныеголовкипообестороныбислоявзаимодействуютсмолекуламиводы. Современные методы исследования дают более сложную картину (ПРИЛО-

ЖЕНИЕ 5).

Свойства липидного бислоя:

1)высокая текучесть;

2)латеральная диффузия (молекулы липидов внутри бислоя постоянно передвигаются внутри монослоев);

3)флип-флоп механизм – процесс перехода отдельных молекул из одного монослоя в другой путем переворота;

12

13

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

4)высокое электрическое сопротивление (106-109 Ом/см2);

5)преграда для неспецифической проницаемости (за счет гидрофобной части);

6)способность удерживать электропотенциал (мембрана является плоским конденсатором).

A B C D

Рис. 5. Липидные компоненты мембран. А – фосфатидилхолин, В – фосфатидилхолин и холестерол, С – сфингомиелин, D – сфингомиелин и холестерол.

Липидные компоненты мембраны — это не просто пассивный носитель белков, но и равноправные участники большинства физиологических и биохимических процессов. Липидный состав мембраны тщательно оптимизирован эволюциейипозволяетсоздатьнеобходимыеусловиядлякорректнойиэффективной работы мембранных белков. Например, частичное взаимное несмешивание липидных компонентов мембраны эукариотической клетки приводит к появлению микроскопических неоднородностей, называемых мембранными рафтами, или плотами (от англ. raft — «плот»). Такое сложное фазовое поведение липидного матрикса мембраны активно используется клеткой: мембранные плоты образуют функциональные платформы, в которых комплексы мембранных белков выполняют все разнообразие своих функций, причем определенные белки предпочитают находиться в рафтовых областях, тогда как другие — в областях между ними.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

Рис. 6. Схема строения липидного рафта. (А) Внутриклеточная среда, цитоплазма, (B) внешняя среда или внутривезикулярное пространство аппарата Гольджи. Обозначения: 1. липид в жидкой неупорядоченной фазе, окружающий плотно-упакованный липидный рафт(2);3.трансмембранныйбелок,связанныйслипиднымрафтом;4.белокклеточной мембраны; 5. олигосахаридные остатки на белке рафта (гликопротеин); 6. гликозилфосфатидилинозитол;7.холестерин;8.олигосахаридныеостаткиналипидах(гликолипид).

Мембранный плот (membrane raft, lipid raft) (ПРИЛОЖЕНИЕ 5) ­— микро-

домен липидного бислоя клеточной мембраны, участок плотноупакованного липида, «плавающего» на поверхности «жидкого» фосфолипида (отсюда название липидный плот). Он представлен липидной платформой (сфинголипид и холестерол), стабилизированной актиновым цитоскелетом, прикрепление которого осуществляется за счет «молекулярных моторов» - миозина I и миозина II. Миозин I связывает внутренний липидный слой цитолеммы и актиновый филамент, тем самым способствует их движению вдоль цитолеммы и способствует их слиянию из наноплотов в макроплоты. Предполагается, что миозин I способствует направленному движению клеток, деформации и изгибу плазматической мембраны. Миозин II способствует движению биполярных актиновых филаментов, перестраивая актиновый цитоскелет.

Функции мембранных плотов: координируют клеточные процессы, влияют на текучесть мембраны, служат организующими центрами для сборки сигнальных молекул, регулируют перемещение мембранных белков, рецепторов, регулируют нейротрансмиссию.

Мембранные белки

Все функционально активные белки имеют в своем составе домены – пространственно обособленные участки белковой молекулы. Большая часть доменов является консервативными (conserved), т.е. с минимальной филогенетической изменчивостью. Белки мембран условно подразделяются на интегральные, полуинтегральные и ассоциированные (ПРИЛОЖЕНИЕ 6).

Интегральные (трансмембранные) белки полностью пронизывают ли-

пидный бислой, при этом гидрофобная часть белковых молекул находится в окружении гидрофобных хвостов липидных молекул, а гидрофильные части располагаютсяпообесторонылипидногобислоя.Полуинтегральные белки гидрофобной частью внедрены в половину липидного бислоя. Ассоциированные

14

15

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

белки не имеют связи с гидрофобной частью липидного бислоя, связаны только с головками липидов или интегральными и полуинтегральными белками.

Вфункциональномотношениикинтегральнымбелкамотносятсярецепторные белки, ионные каналы, структурные белки, белки-переносчики, ферменты; к полуинтегральным – структурные и ферментные белки; к ассоциированным – в основном ферменты.

Среди всех мембранных белков особое положение занимают рецепторы. Они обеспечивают передачу информации через плазматическую мембрану внутрь клетки. У многоклеточных организмов передача информации между клетками осуществляется с помощью сигнальных молекул, выделяемых во внешнюю среду. Среди этих сигнальных молекул выделяют гормоны, небелковые соединения и ионы, образующиеся или высвобождающиеся, в том числе, при повреждении соседних клеток. Рецепторы специфически распознают сигналы (молекулы лигандов), появляющиеся во внеклеточном пространстве, и запускают каскады реакций в ответ на них.

Рис. 7. Классификация мембранных белков по типу связывания с мембраной.

Периферические белки: (а) электростатическое связывание с бислоем, (б) связывание с другими «якорными» белками.

Интегральные трансмембранные белки: (в) единственное и (г) множественные пересечения мембраны.

Интегральные мембранные белки, имеющие гидрофобный якорь:

(д) I тип — белок обладает С-концевым пептидным якорем, (е) II тип — белок содержит N-концевой якорь, (ж) в качестве гидрофобного якоря выступает фосфатидилинозитольный гликолипид (GPI).

Некоторые функции биологических мембран

1.Ограничение клетки/органеллы от внешней среды.

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

2.Активный транспорт ионов K+, Na+, Ca2+, подержание осмотического равновесия.

3.Связывание гормонов и включение механизмов внутриклеточной сигнализации.

4.Генерация потенциалов покоя и действия, распространение потенциала действия.

5.Перенос электронов на кислород и синтез АТФ (окислительное фосфорилирование).

6.Перенос ионов кальция из цитоплазмы внутрь везикул.

7.Поглощение квантов света и генерация внутриклеточного сигнала.

Транспорт веществ через мембрану

Существуют два механизма транспорта веществ через мембрану клетки: посредством простой диффузии, т.е. без помощи специфического переносчика, и при помощи специфических переносчиков. В первом случае выделяют диффузию соединений непосредственно через липидный бислой мембраны и ионов через ионные каналы. Во втором случае выделяют так называемую об-

легченную диффузию, первично-активный транспорт и вторично-активный транспорт (ПРИЛОЖЕНИЕ 8).

16

17

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИИ МЕМБРАН КЛЕТОК

АКТУАЛЬНОСТЬ И КЛИНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Клиническое

Передача сигналов при дифференциации Т-лимфоцитов.

значение мем-

В основе приобретенного иммунитета лежит процесс «об-

бранных плотов

учения» Т-лимфоцитов распознавать определенные антигены

 

и уничтожать их. Это происходит при непосредственном

 

контакте антиген-презентирующей клетки (АПК) с лимфо-

 

цитом, который, «обучившись», многократно делится и дает

 

начало целой колонии идентичных Т-лимфоцитов, способных

 

распознавать именно этот антиген. Рецепторы Т-клеток,

 

которые распознают «заряженный» антигеном главный ком-

 

плексгистосовместимостинаповерхностиАПК,кластеризу-

 

ютсяврафтовойфазе,идополнительноскрепляютсяактино-

 

выми нитями со стороны цитоплазмы. Это взаимодействие

 

рецепторовобеихклетокформируетиммунологическийсинапс

 

(область плотного контакта) между Т-лимфоцитом и АПК.

 

В лабораторных экспериментах подтверждено, что участие

 

рафтовой фазы в формировании иммунологического синапса

 

принципиально: изъятие из мембран холестерола или моди-

 

фикация некоторых участвующих в процессе белков, чтобы

 

они теряли сродство к рафтам, приводит к тому, что пре-

 

зентирования антигена не происходит, и иммунитет не об-

 

разуется.

 

Размножение вирусных частиц. Многие вирусы, покидая за-

 

раженную ранее клетку, облачаются в липидную оболочку —

 

часть мембраны клетки-хозяина. Некоторые из них, в част-

 

ностиВИЧивирусгриппа,«отпочковываются»отрафтовых

 

участков мембраны, что приводит к тому, что вокруг их соб-

 

ственного нуклеокапсида образуется липидная «скорлупа»,

 

состоящая целиком из рафтовых липидов. Делается это для

 

того, чтобы в оболочку проникли вирусные гликопротеины

 

и не попадали ненужные вирусу мембранные белки клетки-хо-

 

зяина.

Болезнь Аль-

Компоненты кавеол мембран и липидные рафты участвуют

цгеймера и

в процессинге белка-предшественника β-амилоида (βAPP) и

мембранные

β-амилоида (Aβ) - белков, связанных с болезнью Альцгеймера

плоты

и с другими нейродегенеративными заболеваниями нервной

 

системы. По мнению ученых, именно при связывании белка-

 

предшественника с холестерином происходит перемещение

 

этого белка в липидные рафты, где находятся секретазы,

 

которые при взаимодействии с ним приведут к выработке бе-

 

та-амилоидов, вызывающих болезнь Альцгеймера. Бета-ами-

 

лоиды скапливаются в олигомеры, повреждающие нейроны,

 

что приводит к слабоумию и потере памяти. Бета-амилоид-

 

ные олигомеры образуют характерные бляшки в мозге, что

 

является одним из отличительных признаков заболевания.

 

 

ИОННЫЕ КАНАЛЫ

ПароксизмальПароксизмальная ночная гемоглобинурия (ПНГ) - редкое,

ная ночная ге- прогрессирующее, жизнеугрожающее заболевание, которое моглобинурия и характеризуется частичным или полным отсутствием инги- GPI-якорь биторов комплемента на поверхности клеток крови и проявляется хроническим гемолизом. Для синтеза GPI-якоря требуется продукт PIG-A гена. GPI-якорь должен состоять из трех частей, и они должны синтезироваться в определенном порядке. PIG-A ген отвечает за синтез первой части GPIякоря, поэтому в случае патологии, GPI-якорь либо не будет синтезирован, либо будет произведен в минимальном количестве. В результате, в клетках крови, полученных из гемопоэтических стволовых клеток, несущих PIG-A мутацию(и), наблюдается полный (Тип III) или частичный (Тип II) дефицит

GPI-заякоренных белков.

2.2. ИОННЫЕ КАНАЛЫ

Переносчики ионов через биологические мембраны подразделяют на три типа: ионные насосы, ионообменники и каналы. Наличие ионных переносчиковразноготипапозволяетклеткеоченьтонкорегулироватьионныйгомеостаз

(ПРИЛОЖЕНИЯ 8,10).

Ионные каналы (ИК) это сложные трансмембранные белковые структуры, пронизывающие клеточную мембрану поперёк в виде нескольких петель и образующие в мембране сквозное отверстие (пору).

Канальные белки состоят из субъединиц, образующих структуру со сложнойпространственнойконфигурацией,вкоторойкромепорыобычноимеются дополнительные молекулярные системы: открытия, закрытия, избирательности, инактивации, рецепции и регуляции. ИК могут иметь не один, а несколько участков (сайтов) для связывания с управляющими веществами (лигандами).

Ионные каналы можно рассматривать как транспортный механизм, обеспечивающий перемещение ионов между цитоплазмой клетки и наружной средой.

Методы исследования ионных каналов (ИК)

1.Электрофизиологические методы а) Регистрация интегральных токов и потенциалов.

б) Внутриклеточная регистрация.

Методы внутриклеточной регистрации не позволяют регистрировать ионные токи, текущие через мембрану возбудимой клетки.

2.Метод фиксации мембранного потенциала.

3.Измерение токов одиночного канала - пэтч-кламп (patch-clamp).

4.Биохимические и генетические методы исследования ионных каналов. Исследования молекулярной структуры ионных каналов используют био-

18

19