- •Тема 1. Вступ до біомембранології
- •1. Предмет та завдання біомембранології
- •2. Історія досліджень структури мембран
- •3. Клітинні мембранні структури
- •4. Біологічні функції мембран
- •Тема 2. Структурні компоненти біологічних мембран: ліпіди
- •1. Структура окремих груп мембранних ліпідів
- •2. Жирні кислоти та їх просторова конфігурація
- •3. Амфіпатична природа мембранних ліпідів і організація ліпідних міцел, ліпосом та бішару
- •Трансмембранна асиметрія ліпідів
- •4. Біологічні функції мембранних ліпідів
- •Тема 3. Структурні компоненти біологічних мембран: вуглеводи мембран та мембранні білки
- •1. Мембранні вуглеводи
- •2. Мембранні білки: особливості будови та розташування
- •3. Функції мембранних білків
- •4. Цитоскелет і глікокалікс мембран
- •Тема 4. Різні види рухливих компонентів ліпідного бішару
- •1. Види рухливості ліпідів
- •2. Дефектні зони. Роль холестерину
- •3. Фазові переходи мембранних ліпідів
- •Тема 5. Сучасні підходи до дослідження мембранних структур
- •Виділення і характеристика мембранних фракцій
- •2. Методи дослідження мембранних структур
- •3. Методи вивчення динамічного поведінки мембранних систем і ліпід-білкових взаємодій
- •Тема 6. Транспорт речовин через мембрани
- •1. Загальна характеристика механізмів проходження речовин через мембрани
- •2. Пасивний транспорт
- •3. Активний транспорт
- •4. Молекулярні основи первинно-активного транспорту іонів
- •5. Конкретні системи транспорту низькомолекулярних речовин через мембрану
- •5. Перенесення через мембрану макромолекул і частинок
- •Тема 7. Адгезивна функція мембран
- •1. Родини адгезивних мембранних білків
- •Типи міжклітинних контактів
- •Тема 8. Передача інформації через клітинну мембрану. Внутрішньоклітинні медіатори
- •Загальні положення
- •Типи рецепторів
- •3. Передача гормонального сигналу через мембрану
- •4. Передача сигналів у фоторецепторних клітинах сітківки
- •5. Біохімічні механізми нюху і посилення первинних нюхових сигналів
- •6. Рецептори збудливих тканин
- •7. Механочутливі іонні канали
- •Тема 9. Біогенез мембран
- •1. Загальні положення
- •2. Транспорт білків. Екзоцитозний шлях
- •3. Сигнальні послідовності білків. Сигнальні пептидази
- •4. Транспорт ліпідів
- •Рекомендована література Основна
- •Додаткова
- •Алфавітний покажчик основних понять
Трансмембранна асиметрія ліпідів
Клітинні мембрани замкнуті, вони мають внутрішню та зовнішню поверхні, які розрізняються за ліпідним і білковим складом – цю особливість мембран називають трансмембранною асиметрією. Відомо декілька механізмів, що забезпечують асиметричність розподілу фосфоліпідів у мембрані. Асиметрія ліпідів виникає, перш за все, тому, що в разі замкнутого мембранного бішару ліпіди з більш об'ємними полярними «голівками» намагаються перебувати в зовнішньому моношарі, оскільки там площа поверхні, яка припадає на полярну «головку», більша. Через це фосфатидилхолін та сфінгомієлін локалізовані переважно в зовнішньому моношарі, а фосфатидилсерин і фосфатидилетаноламін, в основному, у внутрішньому.
Другий механізм реалізується за рахунок відмінностей в складі середовища по обидва боки бішару в умовах нативної клітини. З позаклітинної сторони мембрану омиває середовище з високим вмістом іонів натрію і кальцію, а з боку цитоплазми мембрана контактує з магнієм і калієм. Відмінності іонного складу поза- і внутрішньоклітинного середовища вносять внесок у створення та підтримання вигинів, тобто в асиметрію бішару.
4. Біологічні функції мембранних ліпідів
Окрім того, що ліпіди є основним структурним компонентом мембран, вони виконують й інші клітинні функції. Вони входять до складу внутрішньоядерних структур, таких, як хромосоми, хроматин, ДНК-мембранний комплекс і ядерний матрикс. Вони також беруть участь у регуляції реплікації, репарації і транскрипції ДНК за рахунок зміни активності ферментів, які забезпечуюють процесах біосинтезу нуклеїнових кислот. Особливості ліпідного складу бактерій часто використовують для їх класифікації. Розподіл їх на грам-негативні і грам-позитивні ґрунтується на відсутності чи наявності забарвлення за Грамом відповідно до наявності або відсутності в складі клітинної стінки пептидогліканів та тейхоєвих кислот.
Розглянемо деякі фактори, які, можливо, визначають ліпідний склад мембрани.
1. Суміш ліпідів обов'язково повинна бути здатною утворювати стабільний бішар, в якому могли б функціонувати білки.
2. Деякі ліпіди сприяють стабілізації сильно викривлених ділянок мембрани, утворенню контакту між мембранами або зв'язуванню певних білків.
3. Деякі ліпіди є важливими біорегуляторами. Найбільш вивчена в цьому відношенні регуляторна роль похідних фосфатидилінозитолу плазматичних мембран клітин еукаріот.
4. Деякі ліпіди беруть участь в реакціях біосинтезу. Наприклад, в клітинах E. сoli фосфатидилгліцерол постачає гліцерофосфатний фрагмент при біосинтезі периплазматичних олігосахаридів.
5. Окремі ліпіди необхідні для підтримання оптимальної активності ряду ферментів. Вони формують середовище для функціонування мембранних білків, здатних приймати нативну конформацію лише в гідрофобному оточенні. Виділені з мембран ферменти, позбавлені ліпідного оточення, як правило, не проявляють каталітичної активності, або змінюють її при зміні гідрофобності середовища. Така, наприклад, мітохондріальна креатинкіназа, фермент, яка каталізує утворення креатинфосфату. Для прояву її нормальної активності необхідна взаємодія з кардіоліпіном внутрішньої мембрани мітохондрій.
6. Гангліозиди відіграють важливу роль у регуляції росту клітин, є специфічними рецепторами в плазматичній мембрані і відповідальні за клітинну адгезію.
7. Деякі ліпіди виконують «якірну» функцію, наприклад, до молекули фосфатидилінозитолу через олігосахариди можуть приєднуватися специфічні білки зовнішньої поверхні клітини – утворюється фосфатидилінозитолглікан. Приклад такого заякореного білка – ацетилхолінестераза, яка каталізує гідроліз ацетилхоліну в синаптичні щілини.
8. Ліпіди можуть бути аллостеричними активаторами мембранних ферментів. Наприклад, протеїнкіназа С у неактивній формі знаходиться в цитозолі. Однак після стимуляції клітини (при підвищенні в клітині концентрації Са2+) фермент швидко активується іонами кальцію і виявляється зв'язаним з мембраною.
Експериментально було показано, що організми часто можуть витримувати, причому без всяких наслідків, суттєві зміни ліпідного складу мембран. Наприклад, за допомогою генетичної трансформації можна отримати життєздатний штам E. coli, в мембранах якого міститься до 34% фосфатидної кислоти, зазвичай відсутньої в штамах дикого типу. Ймовірно, той ліпідний склад, який характерний для штамів дикого типу, не є обов'язковим для виживання клітин, принаймні, в умовах їх вирощування в лабораторії.