🗊Презентация Биологические мембраны Структурная организация. Участие мембран в организации и регуляции метаболизма клетки

Биологические мембраны Структурная организация. Участие мембран в организации и регуляции метаболизма клетки.

План: 1. Строение и состав мембран. 2. Мембраны клеточных органелл. 3. Транспорт веществ через мембрану. 4. Обмен веществ в мембране.

1935 г. – Даниэлли и Даусон предложили унитарную модель биологической мембраны. 1972 г. Сингер (S. Jonathan Singer) и  Николсон (Garth L. Nicolson) - предложена жидкостно-мозаичной модели строения мембраны

Все клетки имеют мембраны. Почти во всех эукариотических клетках существуют органеллы, каждая из которых имеет свою мембрану. Согласованное функционирование мембранных систем - рецепторов, ферментов, транспортных механизмов помогает поддерживать гомеостаз клетки и в то же время быстро реагировать на изменения внешней среды.

 РОЛЬ МЕМБРАН В МЕТАБОЛИЗМЕ И ИХ РАЗНООБРАЗИЕ основные функции мембран : - отделение клетки от окружающей среды и формирование внутриклеточных компартментов (отсеков); - контроль и регулирование транспорта огромного разнообразия веществ через мембраны; - участие в обеспечении межклеточных взаимодействий, передаче внутрь клетки сигналов; - преобразование энергии пищевых органических веществ в энергию химических связей молекул АТФ.

 Строение и состав мембран Биологические мембраны представляют собой "ансамбли" липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий. 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.

Фосфолипиды. Образуют двойной слой – гидрофильные головы повёрнуты наружу, гидрофобные хвосты - вовнутрь. Внутренне пространство мембран образовано гидрофобными хвостами фосфолипидов.

Мембранные белки. По расположению в ПМ: периферические, полупогруженные, интегральные. По функции: ферменты, транспортные (каналообразующие, белки-переносчики, ионные насосы, рецепторы).

Внешняя поверхность мембраны пластична, способна восстанавливаться при повреждениях.

Гликолипиды. В зависимости от длины и строения углеводной части различают цереброзиды, содержащие моно- или олигосахаридный остаток, и ганглиозиды, к ОН-группе которых присоединён сложный, разветвлённый олигосахарид, содержащий N-ацетилнейраминовую кислоту (NANA). В значительных количествах гликолипиды содержатся в мембранах клеток мозга, эритроцитов, эпителиальных клеток. Ганглиозиды эритроцитов разных индивидуумов различаются строением олигосахаридных цепей, проявляющих антигенные свойства.

Холестерол (холестерин)  присутствует во всех мембранах животных клеток. Состоит из жёсткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи Для животной клетки среднее молярное отношение холестерол/фосфолипиды равно 0,3-0,4, но в плазматической мембране это соотношение гораздо выше . Наличие холестерола в мембранах уменьшает подвижность жирных кислот, снижает латеральную диффузию липидов и белков, и поэтому может влиять на функции мембранных белков. В составе мембран растений холестерола нет, а присутствуют растительные стероиды - ситостерол и стигмастерол.

Мембраны клеточных органелл.

Плазматическая мембрана Окружает каждую клетку, определяет её величину, обеспечивает транспорт малых и больших молекул из клетки и в клетку, поддерживает разницу концентраций ионов по обе стороны мембраны. Участвует в межклеточных контактах, воспринимает, усиливает и передаёт внутрь клетки сигналы внешней среды. С мембраной связаны многие ферменты, катализирующие биохимические реакции.

Ядерная мембрана Состоит из внешней и внутренней ядерных мембран. Ядерная оболочка имеет поры, через которые РНК проникают из ядра в цитоплазму, а регуляторные белки из цитоплазмы в ядро. Внутренняя ядерная мембрана содержит специфические белки, имеющие участки связывания основных полипептидов ядерного матрикса - ламина А, ламина В и ламина С. Важная функция этих белков - дезинтеграция ядерной оболочки в процессе митоза.

Мембрана эндоплазматического ретикулума (ЭР). Мембрана ЭР имеет многочисленные складки и изгибы. Шероховатый ЭР - связан с рибосомами, на которых происходит синтез белков плазматической мембраны, ЭР, аппарата Гольджи, лизосом, а также секретируемых белков. Гладкий ЭР (не содержит рибосом) - здесь происходит завершающий этап биосинтеза холестерина, фосфолипидов, реакции окисления собственных метаболитов и чужеродных веществ с участием мембранных ферментов - цитохрома Р450, цитохрома Р450 редуктазы, цитохрома b5 редуктазы и цитохрома b5 .

Мембраны аппарата Гольджи Отвечает за модификацию, накопление, сортировку и направление различных веществ в соответствующие внутриклеточные компартменты, а также за пределы клетки. Специфические ферменты мембраны комплекса Гольджи, гликозилтрансферазы, гликозилируя белки по остаткам серина, треонина или амидной группе аспарагина, завершают образование сложных белков - гликопротеинов.

Митохондриальные мембраны Митохондрии - окружёны двойной мембраной, специализирующиеся на синтезе АТФ путём окислительного фосфорилирования. Внешняя мембрана - содержит большого количества белка порина, образующего поры в мембране. Благодаря порину внешняя мембрана свободно проницаема для неорганических ионов, метаболитов и небольших молекул белков (меньше 10 кД). Для больших белков внешняя мембрана непроницаема, это позволяет митохондриям удерживать белки межмембранного пространства от утечки в цитозоль.

Для внутренней мембраны митохондрий характерно высокое содержание белков, около 70%, которые выполняют в основном каталитическую и транспортную функции. Транслоказы мембраны обеспечивают избирательный перенос веществ из межмембранного пространства в матрикс и в обратном направлении, ферменты участвуют в транспорте электронов (цепи переноса электронов) и синтезе АТФ.

Мембрана лизосом Мембрана лизосом играет роль "щита" между активными ферментами (более 50), обеспечивающими реакции распада белков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот, и остальным клеточным содержимым. Мембрана содержит АТФ-зависимую протонную помпу (насос), которая поддерживает кислую среду (рН 5), необходимую для действия гидролитических ферментов (протеаз, липаз), а также транспортные белки, позволяющие продуктам расщепления макромолекул покидать лизосому.

Большинство белков лизосомальной мембраны сильно гликозилированы, углеводные составляющие, находящиеся на внутренней поверхности мембраны, защищают их от действия протеаз.

Транспорт веществ через плазматическую мембрану. Мембранный транспорт — транспорт веществ сквозь клеточную мембрану в клетку или из клетки, осуществляемый с помощью различных механизмов : простой диффузии облегченной диффузии активного транспорта.

Важнейшее свойство биологической мембраны состоит в ее способности пропускать в клетку и из нее различные вещества. Это имеет большое значение для саморегуляции и поддержания постоянного состава клетки. Такая функция клеточной мембраны выполняется благодаря избирательной проницаемости, то есть способностью пропускать одни вещества и не пропускать другие.

Диффузия. Газы, например, кислород, потребляемый клетками, и образующийся в процессе дыхания СО2, в растворе быстро диффундирует через мембраны, перемещаясь по диффузному градиенту, т. е. из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Ионы, глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты – диффундируют медленно. Быстро проходят через мембраны – незаряженные и жирорастворимые (липофильные) молекулы.

Облегченная диффузия . Здесь веществу помогают пройти через мембрану какие-либо специфические молекулы. У этих молекул может быть особый канал, пропускающий вещество только одного определённого типа. Например – поступление глюкозы в эритроциты. Оно не нарушается ингибиторами дыхания и не является активным процессом.

Осмос- это переход молекул растворителя из области с более высокой их концентрацией в область с более низкой через полупроницаемые мембраны. Во всех биологических системах растворителем служит вода. Некоторые мембраны (полупроницаемые) пропускают только молекулы растворителя. Мембраны живых клеток пропускают вещества избирательно. Такие мембраны называют полупроницаемыми.

Растворы : изотонический -  имеет осмотическое давление, равное внутриклеточному. (гипотонический) (гипертонический)

Активный транспорт. Активный транспорт – это перенос молекул или ионов через мембрану против градиента концентрации. Происходит с затратой энергии. Почти во всех клетках внутреннее содержимое заряжено отрицательно по отношению к внешней стороне. Положительно заряженные ионы – стремятся в клетку, анионы клеткой отталкиваются.

Во внеклеточных и внутриклеточных жидкостях преобладают ионы натрия (Na), калия (K) и ионы хлора (Cl). Концентрация калия внутри выше, чем снаружи. Внутриклеточная концентрация калия выше, чем концентрация натрия

Фермент Na+, К+-АТФ-аза Этот фермент-переносчик катализирует АТФ-зависимый транспорт ионов Na+ и K+ через плазматическую мембрану.. Na+,К+-АТФ-аза отвечает за поддержание высокой концентрации К+ и низкой концентрации Na+ в клетке. Так как Na+,К+-АТФ-аза выкачивает три положительно заряженных иона, а закачивает два, то на мембране возникает электрический потенциал с отрицательным значением на внутренней части клетки по отношению к её наружной поверхности.

Калий-натриевый насос. Более трети АТФ , потребляемого живой клеткой , расходуется на перекачивание натрия и калия. Это необходимо для сохранения клеточного объёма (осморегуляция), для поддержания электрической активности в нервных и мышечных клетках, активного транспорта важных веществ (углеводов, аминокислот и.т.д.). Насос- это особый белок. С внутренней стороны мембраны к нему поступает натрий и АТФ, с наружной – калий. “Белок –насос” ещё участвует в гидролизе АТФ – высвобождается энергия. На каждые два поглощенных иона калия из клетки выводятся три иона натрия.

Фермент Са2+-АТФ-аза. В цитозоле "покоящихся" клеток концентрация Са2+ составляет ~10-7 моль/л, тогда как вне клетки она равна ~2. 10-3 моль/л. Поддерживает такую разницу в концентрации система активного транспорта ионов кальция; ее основные компоненты - кальциевые насосы - Са2+-АТФ-азы и Na+,Ca2+-обменники. Са2+-АТФ-аза локализована не только в плазматической мембране, но и в мембране ЭР. Каждая из Са2+-АТФ-аз плазматической мембраны и ЭР представлена несколькими изоформами.

Нарушение активности Са2+-АТФ-азы при патологии  Одна из причин нарушения работы Са2+-АТФ-азы - активация перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран. Окислению подвергаются остатки жирных кислот в составе фосфолипидов, так и SH-гpyппы в активном центре фермента. АТФ-аза перестаёт выкачивать ионы кальция из цитозоля клетки, повышается концентрация внутриклеточного кальция, Са2+ усиливает мышечное сокращение, возрастает тонус мышечной стенки, что приводит к повышению АД. Не последнюю роль нарушение функционирования Са2+-АТФ-азы играет в развитии атеросклероза, рака, иммунных патологий.

Различают два типа эндоцитоза: Фагоцитоз-поглощение твёрдых частиц (фагоциты, лейкоциты). Пиноцитоз – основной механизм проникновения в клетку высокомолекулярных соединений ( белков и углеводно-белковых комплексов); поглощение жидкого материала (лейкоциты, клетки печени, почек).

Особенности обмена веществ в мембране.

Мембранные компоненты подвержены многим метаболическим превращениям под влиянием ферментов, расположенных на их мембране или внутри ее. ( Например: окислительные ферменты, играющие важную роль в модификации гидрофобных элементов мембран — холестерина и др.)

В мембране непрерывно протекают процессы обновления ее компонентов. Так, время жизни мембранных белков колеблется от 2 до 5 дней. В клетке существуют механизмы, обеспечивающие доставку вновь синтезированных молекул белка к мембранным рецепторам, облегчающим встраивание белка в мембрану. «Узнавание» данного рецептора вновь синтезированным белком облегчается образованием сигнального пептида, помогающего найти на мембране рецептор.

Липиды мембраны отличаются значительной скоростью обмена. На специфику липидного состава мембран клеток влияют изменения среды обитания человека, характера его питания.

Нормальное поступление с пищей жирных кислот с ненасыщенными связями  поддерживает жидкое состояние липидов мембран клеток.

Избыток холестерина в мембранах - увеличивает вязкость бислоя фосфолипидных молекул, понижая скорость диффузии некоторых веществ через мембраны клеток. Пища, обогащенная витаминами А, Е, С, Р улучшает обмен липидов в мембранах эритроцитов, снижает вязкость мембран. Это повышает пластичность эритроцитов, облегчает выполнение ими транспортной функции .

Дефицит жирных кислот и холестерина в пище нарушает липидный состав и функции мембран клеток. Например, дефицит жиров нарушает функции мембраны нейтрофилов, что угнетает их способность к движению и фагоцитозу. В регулировании липидного состава мембран и их проницаемости, регуляции пролиферации клеток важную роль играют активные формы кислорода, образующиеся в клетке сопряженно с нормально протекающими метаболическими реакциями (микросомальным окислением и др.).

Образующиеся активные формы кислорода — супероксидный радикал  (ион молекулы кислорода с неспаренным электроном О2), перекись водорода (H2О2) и др. представляют собой реакционноспособные вещества. Их основным субстратом в реакциях свободнорадикального окисления являются ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав фосфолипидов мембран клетки (реакции перекисного окисления липидов –ПОЛ)

Избыток продуктов ПОЛ может вызвать повреждение мембраны клетки, ее барьерной, рецепторной и обменной функций, модификацию молекул нуклеиновых кислот и белков, что ведет к мутациям и инактивации ферментов.

В физиологических условиях перекисное окисление липидов регулируется антиоксидантной системой клеток, представленной ферментами, инактивируюшими активные формы кислорода — супероксиддисмутазой, каталазой, пероксидазой и веществами, обладающими антиокислительной активностью — токоферолом (витамин Е), убихиноном (коэнзим Q 10).

Убихиноны — это жирорастворимые коферменты, представлены в митохондриях эукариотических клеток. Убихинон является компонентом цепи переноса электронов и принимает участие в окислительном фосфорилировании. Максимальное содержание убихинона в органах с наибольшими энергетическими потребностями, например, в сердце и печени.

Выраженный защитный (цитопротекторный) эффект на мембраны клетки оказывают простагландины  (PG) (биологически активные липиды, образуются организме ферментативным путём из незаменимых жирных кислот).

Простагландины защищают слизистую желудка и гепатоциты от химических повреждений, нейроны, клетки нейроглии, кардиомиоциты — от гипоксических повреждений, скелетные мышцы — при тяжелой физической нагрузке. Простагландины, связываясь со специфическими рецепторами на клеточных мембранах стабилизируют бислой последних, уменьшают потерю мембранами фосфолипидов.

Понятие о катаболизме и анаболизме. Биохимия питания. Незаменимые пищевые факторы. Биоэнергетика. Структурная организация цепи переноса электронов (ЦПЭ). Общий путь катаболизма – основной источник доноров водорода для ЦПЭ.

 Полноценный рацион соответствует энергетическим потребностям человека и необходимое количество незаменимых пищевых веществ, обеспечивает нормальный рост и развитие организма. Факторы, влияющие на потребность организма в энергии и питательных веществах: пол, возраст и масса тела человека, его физическая активность, климатические условия, биохимические, иммунологические и морфологические особенности организма. Классы питательных веществ: белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные вещества. незаменимые аминокислоты - валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин,  фенилаланин, треонин, триптофан; незаменимые жирные кислоты - линолевая, линоленовая, арахидоновая; минералы и микроэлементы - кальций, калий, натрий, хлор, медь, железо, хром, фтор, йод Соотношение белков, жиров и углеводов близкое к 1:1:4. Для студента-юноши весом 60 кг, энергозатраты составляют в среднем 2900 ккал в сутки и рацион должен содержать: 80-100 г белков, 90 г жиров, 300 - 400 г углеводов.

Сбалансированный пищевой рацион человека. Рекомендаци ВОЗ.

Индекс массы тела ( body mass index (BMI), ИМТ) — величина, позволяющая оценить степень соответствия массы человека и его роста и тем самым косвенно оценить, является ли масса недостаточной, нормальной или избыточной. Важен при определении показаний для необходимости лечения. Индекс массы тела рассчитывается по формуле: И= масса тела в кг/ рост в метрах в квадрате масса человека = 85 кг, рост = 164 см. Следовательно, индекс массы тела в этом случае равен: ИМТ = 85 : (1,64 × 1,64) = 31,6 Норма 18,5-24,99 Показатель индекса массы тела разработан бельгийским социологом и статистиком Адольфом Котеле (Adolphe Quetelet) в 1869 году

Запрещённые в России вредные добавки Е 121 — повышает риск онкологических заболеваний Е 123; Е 124; Е 127; Е 128 — вызывает аллергические реакции Е 240; Е 2216 — повышает риск онкологических заболеваний, ухудшает зрение, повышает риск возникновения многих заболеваний. E107, E103, E125, E128, E127, E140, E160d, E153-155, E160f, E173-175, E166, E180, E209, E213-219, E182, E225-228, E237, E238, E230-233, E241, E252, E264, E253, E281-283, E303, E305, E302, E308-314, E318, E317, E323-325, E343-345, E328, E329, E349, E355-357, E350-352, E359, E370, E375, E365-368, E381, E387-390, E384, E399, E408, E403, E409, E419, E418, E429-436, E446, E441-444, E462, E465, E463, E467, E476-480, E474, E482-489, E491-496, E512, E505, E519-523, E538, E541, E535, E537, E542, E554-557, E550, E552, E559, E560, E576, E574, E577, E580, E579, E622-625, E629, E628, E632-635, E641, E640, E906, E913, E908-911, E916-919, E929, E922-926, E942-946, E959, E957, E1000, E1105, E1001, E1503, E1521.

Вода, макро – и микроэлементы.

Витамины (водорастворимые).

Витамины (жирорастворимые).

Метаболи́зм (от греч. μεταβολή — «превращение, изменение»), или обмен веществ — набор химических реакций которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Функции метаболизма: 1. запасание энергии, которая добывается путем расщепления пищевых веществ, поступающих в организм, или путем преобразования энергии солнечного света; 2. превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки; 3. сборку белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и прочих клеточных компонентов из этих строительных блоков; 4. синтез биомолекул, которые необходимы для выполнения специфических функций данной клетки.

Фазы метаболизма – анаболизм и катаболизм. Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов и т. д. Требует затрат энергии, источник энергии-энергия АТФ. Для синтеза жирных кислот, холестерина требуются атомы водорода – их источник НАДФН. НАДФН образуется в реакциях окисления глюкозо-6-фосфата, в реакциях анаболизма передаёт свои атомы водорода на синтез веществ. Никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т (НАДФ, NADP) — широко распространённый в природе кофермент некоторых дегидрогеназ — ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции в живых клетках. НАДФ принимает на себя водород и электроны окисляемого соединения и передаёт их на другие вещества. обеспечивает водородом с. НАДФ, — кофермент, отличающийся от НАД содержанием ещё одного остатка фосфорной кислоты, присоединённого к гидроксилу одного из остатков D-рибозы, обнаружен во всех типах клеток. (НАДФН-восстановленная форма НАДФ)

Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до простых конечных продуктов. Сопровождается высвобождением энергии. Часть энергии “перехватывается”коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, используется на синтез АТФ, выделяется в виде тепла. ФАД ( флавинадениндинуклеотид) — кофермент, принимающий участие во многих окислительно-восстановительных биохимических процессах. ФАД существует в двух формах — окисленной и восстановленной.

Атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления, могут использоваться клетками только в двух направлениях: 1. на анаболические реакции в составе НАДФН. (Никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т (НАДФ) 2. на образование АТФ в митохондриях, окислении НАДФН и ФАДН2.( FAD — флавинадениндинуклеотид — кофермент, принимающий участие во многих окислительно-восстановительных реакциях)

Этапы катаболизма: 1 –й этап. Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или лизосомах. При этом освобождается 1% энергии, заключенной в молекуле, энергия рассеивается в виде тепла. 2-й этап. Идёт в митохондриях и цитозоле. Вещества , образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу (в составе ацетил-S-КоА). 13% энергии усваивается в виде макроэргических связей АТФ, часть рассеивается в виде тепла.

3-й этап: идёт в митохондриях. Ацетил-SКоА включается в реакции цикла трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД и восстанавливают их. НАДН и ФАДН2 переносят водород в цепь дыхательных ферментов, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Здесь в результате окислительного фосфорилирования образуются вода и АТФ. 45% энергии исходного вещества запасается в виде АТФ и ГТФ (гуанозинтрифосфат).

Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде связей, называемых макроэргическими. АТФ – основная молекула, которая запасает энергию. Общее содержание АТФ в организме 30-50 г, но каждая молекула АТФ в клетке «живёт» меньше минуты. В сутки у человека синтезируется 40-60 кг АТФ и столько же распадается. Увеличение концентрации AДФ немедленно приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования. Молекулы АТФ в клетке постоянно расщепляются до аденозин дифосфорной кислоты и вновь регенерируют.

Энергия АТФ идёт на: биосинтез веществ, транспорт веществ через мембраны, изменение формы клетки и её движение.

Откуда в клетке АТФ?

Принцип работы дыхательной цепи. 1. НАДН и ФАДН2 передают атомы водорода и электроны на ферменты дыхательной цепи. 2. Электроны взаимодействуют с ферментами дыхательной цепи и теряют энергию. 3. Эта энергия используется на выкачивание протонов в межмембранное пространство. 4. Электроны взаимодействуют с кислородом, образуется вода. 5. В матриксе протоны взаимодействуют а АТФ-синтазой, при этом они теряют энергию, которая идёт на образование АТФ.

Внутренняя мембрана митохондрий содержит множество ферментов, которые называют дыхательные ферменты, а последовательность их расположения в мембране - дыхательная цепь переноса электронов.

Дыхательная электронтранспортная цепь (ЭТЦ) — система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. ЭТЦ позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н и ФАДН2

Биологический смысл транспорта электронов по дыхательной цепи и переноса протонов в межмембранное пространство (хемиосмотическая гипотеза Митчела –Скулачёва). - перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается освобождением из них энергии (40% - используется на образование АТФ, остальная – рассеивается в виде тепла. Формируется разность потенциалов (+) и (-) по обе стороны мембраны Образование АТФ катализирует фермент АТФ-синтетаза И т .д.

Работа дыхательных ферментов регулируется с помощью эффекта, который получил название дыхательный контроль. Дыхательный контроль – это прямое влияние электрохимического градиента на скорость движения электронов по дыхательной цепи (т.е, на величину дыхания). Величина дыхания зависит от соотношения АТФ и ADF, количественная сумма которых в клетке постоянна. Реакции катаболизма направлены на поддержание постоянно высокого уровня АТФ и низкого ADF.

Гипоэнергетические состояния. Причины.

Спасибо за внимание!