 |
Мембраны: их строение и функционирование
|
|
|
|
Липиды. Жирорастворимые витамины. Клеточные мембраны: их структура и функции. Транспорт веществ и передача сигнала через мембраны.
Липиды – разнородная группа соединений, непосредственно или опосредованно связанных с жирными кислотами. Их общими свойствами являются: 1) относительная нерастворимость в воде и 2) растворимость в неполярных растворителях, таких как эфир, хлороформ, бензол.
Классификация липидов (по Блому)
Все липиды можно разделить на три группы:
1. Простые – триацилглицеролы (ТАГ)
2. Сложные – фосфолипиды и гликолипиды
3. Предшественники и производные липидов – жирные кислоты, стероиды, кетоновые тела, жирорастворимые витамины и гормоны.
Жирорастворимые витамины
Витамины – это низкомолекулярные органические соединения, Которые необходимы для нормального метаболизма в малых дозах, исчисляемых в миллиграммах или микрограммах, и которые не могут синтезироваться организмом в адекватных количествах.
По физико-химическим свойствам витамины делят на две группы: жирорастворимые и водорастворимые.
Особенности метаболизма жирорастворимых витаминов: жирорастворимые витамины (А, Д, Е, К) содержатся в липидах растительного и животного происхождения. Всасываются в тонком кишечнике вместе с продуктами переваривания липидов и в энтероцитах включаются в состав хиломикронов. В составе хиломикронов они переносятся к печени, которая служит основным местом депонирования витаминов А, Д, К. Основным депо витамина Е служит жировая ткань. Выделение жирорастворимых витаминов из организма осуществляется с желчью, а их избыток оказывает токсический эффект (особенно витамины А и Д).
Витамин А (ретинол, антиксерофтальмический)
|
|
|
Витаминной активностью обладают ретинол, ретиналь, ретиноевая кислота. Все три соединения образуются из предшественников растительного происхождения – каротинов, наиболее активным из которых является b-каротин.
Суточная потребность составляет 1000 ретиноевых эквивалентов. 1 ретиноевый эквивалент соответствует 1 мкг ретинола или 6 мкг b-каротина.
Источником витамина А являются:
1) желтые овощи, фрукты ягоды (морковь, хурма облепиха)
2) эфиры транс-ретинола, содержащиеся в маслах почек и печени.
Биохимические функции витамина А
Регуляция экспрессии генов
Поступив в клетку ретинол и ретиноевая кислота взаимодействуют со специфическими рецепторами. Этот комплекс воздействует на некоторые последовательности генов, ответственных за рост и дифференцировку клеток. По способности регулировать экспрессию генов ретинол и ретиноевая кислота напоминают стероидные гормоны и иодтиронины.
Участие в акте зрения
Витамин А в форме цис-ретиналя входит в состав фоторецептора – родопсина. Родопсин встроен в мембрану световоспринимающей клетки и является первым компонентом специфической трансдукционной системы, воспринимающей световой сигнал. Родопсин связан со специфическим G-белком, называемым трансдуцином – 2-ым компонентом системы, а последний – с фосфодиэстеразой цГМФ. Поглощение родопсином кванта света вызывает в конечном итоге активацию фосфодиэстеразы цГМФ и снижении концентрации цГМФ. ЦГМФ необходим для того, чтобы натриевые каналы в светочувствительных клетках находились в открытом состоянии. Снижение концентрации цГМФ приводит к полному закрытию натриевых каналов, что вызывает гиперполяризацию палочек и возникновение нервного импульса, поступающего в соответствующие отделы мозга.
Поэтому одним из первых признаков недостатка витамина А является куриная слепота.
|
|
|
Витамин Д (кальциферол, антирахитический)
Содержится в продуктах животного происхождения: печени, молоке, растительных маслах и дрожжах.
Суточная потребность для детей 12-25 мкг, для взрослых – меньше.
Витаминной активностью обладают целый ряд соединений, наиболее активными из которых являются эргокальциферол (витамин D2), образующийся в растениях, и холекальциферол (витамин D3), образующийся в коже человека.
Биологическая активность витамина D связана с образованием 1,25-дигидроксихолекальциферола (кальцитриола). Его образование происходит в два этапа: 1) Сначала витамин D транспортируется в печень, где образуется кальцидиол – основная транспортная форма витамина D. 2) Кальцидиол в проксимальных канальцах почек, костях, плаценте превращается в кальцитриол. Кальцитриол рассматривается как стероидный гормон, который регулирует экспрессию специфических генов, кодирующих белок, ответственный за всасывание Са2+ из просвета кишечника. Таким образом, кальцитриол вместе с паратирином (паратгормоном) и кальцитонином регулирует уровень сывороточного кальция.
Основным признаком дефицита витамина D у детей является рахит, а у взрослых – остеомаляция (размягчение костей).
Витамин Е (токоферол, антистерильный или антиоксидантный)
Витамин Е представляет собой группу, состоящую по меньшей мере из трех соединений - a-, b-, g-токоферола; из них наиболее активен a-токоферол.
Токоферолы содержатся в растительных маслах, особенно богаты ими проростки пшеницы.
Суточная потребность 10-30 мг.
Витамин Е является единственным жирорастворимым антиоксидантом. Встраиваясь в состав клеточных мембран, он предотвращает перекисное окисление полиненасыщенных жирных кислот, входящих в состав мембранных фосфолипидов. В своей антиоксидантной активности витамин Е взаимодействует с витамином С.
Основным симптомом дефицита витамина Е является снижение осмотической стойкости эритроцитов у недоношенных детей.
Витамин К (нафтохинон, антигеморрагический)
Витамин К1 содержится в зеленых растениях (капусте, шпинате), фруктах, корнеплодах.
Витамин К2 синтезируется бактериями кишечника. В настоящее время производятся водорастворимые синтетические аналоги витамина К – викасол, менадион, синкавит.
|
|
|
Суточная потребность 2 мг.
Механизм действия: витамин К участвует в поддержании нормальных уровней факторов свертывания крови: фактора II (протромбина), фактора VII (проконвертина), фактора IX (фактора Кристмаса), фактора Х (фактора Стюарта), синтезирующихся в печени в виде неактивных предшественников. Активация последних происходит в результате посттрансляционной модификации белков по остаткам Glu. Эта модификация заключается в g-карбоксилировании и фермент (микросомальная карбоксилаза), катализирующий эту реакцию, нуждается в витамине К как кофакторе.
Карбоксилирование протромбина приводит к образованию белка, способного связывать ионы кальция за счет образования дополнительных карбоксильных групп. После хелатирования ионов кальция протромбин связывается с фосфолипидами мембран, запуская в конечном итоге каскадную систему свертывания крови с образованием фибринового сгустка.
Недостаточность витамина К наблюдается крайне редко, так как этот витамин синтезируется кишечными бактериям. Однако длительный прием антибиотиков или кумариновых антикоагулянтов может давать клинику недостатка этого витамина у взрослых. Признаком недостаточности витамина К у взрослых является повышенная кровоточивость (вследствие нарушения свертывания крови), а у новорожденных проявляется в виде геморрагического синдрома (ввиду отсутствия бактерий в кишечнике).
Мембраны: их строение и функционирование
Мембраны – это чрезвычайно вязкие и вместе с тем пластичные структуры, окружающие все живые клетки. Функции клеточных мембран:
1.Плазматическая мембрана является барьером, с помощью которого поддерживается различный состав вне- и внутриклеточной среды.
2.Мембраны формируют специализированные компартменты внутри клетки, т.е. многочисленные органеллы – митохондрии, лизосомы, комплекс Гольджи, эндоплазматический ретикулум, ядерные мембраны.
3.В мембранах локализованы ферменты, участвующие в преобразовании энергии в таких процессах, как окислительное фосфорилирование и фотосинтез.
|
|
|
Строение и состав мембран
Основу мембраны составляет двойной липидный слой, в формировании которого участвуют фосфолипиды и гликолипиды. Липидный бислой образован двумя рядами липидов, гидрофобные радикалы которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы обращены наружу и контактируют с водной средой. Белковые молекулы как бы “растворены” в липидном бислое.
Структура липидов мембран
Мембранные липиды − амфифильные молекулы, т.к. в молекуле есть как гидрофильный участок (полярные головки), так и гидрофобный участок, представленный углеводородными радикалами жирных кислот, самопроизвольно формирующие бислой. В мембранах присутствуют липиды трех главных типов – фосфолипиды, гликолипиды и холестерол.
Липидный состав различен. Содержание того или иного липида, по-видимому, определяется разнообразием функций, выполняемых этими липидами в мембранах.
Фосфолипиды. Все фосфолипиды можно разделить на две группы – глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды. Глицерофосфолипиды относят к производным фосфатидной кислоты. Наиболее распространенные глицерофосфолипиды – фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины. Сфингофосфолипиды построены на основе аминоспирта сфингозина.
Гликолипиды. В гликолипидах гидрофобная часть представлена спиртом церамидом, а гидрофильная – углеводным остатком. В зависимости от длины и строения углеводной части различают цереброзиды и ганглиозиды. Полярные “головки” гликолипидов находятся на наружной поверхности плазматических мембран.
Холестерол (ХС). ХС присутствует во всех мембранах животных клеток. Его молекула состоит из жесткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи. Единственная гидроксильная группа в 3-положении является “полярной головкой”. Для животной клетки среднее молярное отношение ХС/фосфолипиды равно 0,3-0,4, но в плазматической мембране это отношение гораздо выше (0,8-0,9). Наличие ХС в мембранах уменьшает подвижность жирных кислот, снижает латеральную диффузию липидов и поэтому может влиять на функции мембранных белков.
Свойства мембран:
1. Избирательная проницаемость. Замкнутый бислой обеспечивает одно из основных свойств мембраны: он непроницаем для большинства водорастворимых молекул, поскольку они не растворяются в его гидрофобной сердцевине. Способностью легко проникать в клетку обладают газы, такие как кислород, СО2 и азот вследствие малого размера молекул и слабого взаимодействия с растворителями. Также без труда проникают через бислой молекулы липидной природы, например, стероидные гормоны.
|
|
|
2.Жидкостность. Для мембран характерна жидкостность (текучесть), способность липидов и белков к перемещениям. Возможны два типа перемещений фосфолипидов – это кувырок (в научной литературе называется “флип-флоп”) и латеральная диффузия. В первом случае противостоящие друг другу в бимолекулярном слое молекулы фосфолипидов переворачиваются (или совершают кувырок) навстречу друг другу и меняются местами в мембране, т.е. наружная становится внутренней и наоборот. Такие перескоки связаны с затратой энергии. Чаще наблюдаются повороты вокруг оси (ротация) и латеральная диффузия – перемещение в пределах слоя параллельно поверхности мембраны. Скорость перемещения молекул зависит от микровязкости мембран, которая, в свою очередь определяется относительным содержанием насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в составе липидов. Микровязкость меньше, если в составе липидов преобладают ненасыщенные жирные кислоты, и больше при высоком содержании насыщенных жирных кислот.
3.Асимметрия мембран. Поверхности одной и той же мембраны различаются по составу липидов, белков и углеводов (поперечная асимметрия). Например, в наружном слое преобладают фосфатидилхолины, а во внутреннем – фосфатидилэтаноламины и фосфатидилсерины. Углеводные компоненты гликопротеинов и гликолипидов выходят на наружную поверхность, образуя сплошное поурытие, называемое гликокаликсом. На внутренней поверхности углеводы отсутствуют. Белки – рецепторы гормонов располагаются на наружной поверхности плазматической мембраны, а регулируемые ими ферменты – аденилатциклаза, фосфолипаза С – на внутренней и т.д.
Мембранные белки
Мембранные фосфолипиды играют роль растворителя для мембранных белков, создавая микроокружение, в котором последние могут функционировать. На долю белков приходится от 30 до 70% массы мембран. Число разных белков в мембране варьирует от 6-8 в саркоплазматическом ретикулуме до более чем 100 в плазматической мембране. Это ферменты, транспортные белки, структурные белки, антигены, в том числе антигены основной системы гистосовместимости, рецепторы для различных молекул.
По локализации в мембране белки подразделяются на интегральные (частично или полностью погруженные в мембрану) и периферические (расположенные на ее поверхности). Некоторые интегральные белки пронизывают мембрану один раз (гликофорин), другие прошивают мембрану многократно. Например, фоторецептор сетчатки глаза и β2-адренорецептор пересекает бислой 7 раз.
Периферические белки и домены интегральных белков, расположенные на наружной поверхности всех мембран, почти всегда гликозилированы. Олигосахаридные остатки защищают белок от протеолиза, а также участвуют в узнавании лигандов или адгезии.
|
|
|
