Поры и каналы биологических мембран

1

Федеральное агентство по образованию

Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского

Естественно-географический факультет

Кафедра биохимии

Курсовая работа на тему

Поры и каналы биологических мембран

Выполнила: студентка группы БХ-41

Ермишина Анна Вячеславовна

Руководитель: к. б. н.

Соловьев Владимир Борисович

Пенза, 2009г.

Содержание

Введение

1.Общая характеристика транспорта веществ через мембрану

1.1 Пассивный транспорт

1.2 Активный транспорт

2.Каналы

2.1 Никотиновый ацетилхолиновый рецептор

2.2 Натриевый канал

2.3 Кальциевый канал

2.4 Щелевые контакты

3.Поры

3.1 Ядерные поровые комплексы

3.2 Порины

3.3 Мембранные поры, создаваемые экзогенными агентами

4.Молекулы, используемые в качестве моделей пор и каналов

Заключение

Литература

Введение

Живая клетка - это элементарная ячейка биологической организации, обеспечивающая все функции организма. Среди многообразных явлений, протекающих в клетке, важное место занимают активный и пассивный транспорт веществ. В настоящее время стало очевидно, что эти явления, так или иначе, определяются барьерными свойствами клеточных мембран. Клетка - открытая система, которая непрерывно обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Во многих случаях биологического транспорта основного переноса веществ является их диффузия через клеточную или многоклеточную мембрану. Способы диффузионного переноса многообразны: диффузия жирорастворимых веществ через липидную часть мембраны, перенос гидрофильных веществ через поры, образуемые мембранными липидами и белками, облегченная диффузия с участием специальных молекул-переносчиков, избирательный транспорт ионов через ионные каналы.

Цель моей работы - изучить строение и свойства проводящих путей биологических мембран.

Для реализации этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Ознакомиться с литературой;

2. Изучить особенности пор и каналов;

3. Изучить основные модели биологических структур.

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСПОРТА ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ

1.1 ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ

Под пассивным транспортом веществ через биологические мембраны подразумевается движение молекулы вещества в комплексе с переносчиком. Такой путь проникновения веществ через мембрану не требует затраты энергии, что и дало возможность назвать его пассивным. Для пассивного транспорта характерен эффект насыщения - по мере увеличения концентрации вещества скорость его трансмембранного движения достигает некоторого предела. Так как эффект насыщения очень четко наблюдается также в ферментативных реакциях, в связи с движением в мембране гипотетических переносчиков.

В настоящее время имеется большое количество различных моделей пассивного транспорта. Все они могут быть разделены на две большие группы: модели переносчиков и модели пор. Основное отличие между этими группами моделей заключается в том, что в моделях переносчиков каждый специфический связывающий центр в течение транспортного цикла бывает попеременно доступен омывающим растворам мембраны. В моделях пор каждый специфический центр фиксирован в мембране и доступен или обоим омывающим растворам (одноцентровые поры), или только одному из них, либо вообще недоступен растворам.

Транспорт в порах осуществляется в результате последовательного связывания вещества специфическими центрами. Транспорт же по типу переносчиков осуществляется в результате попеременного экспонирования центров связывания последнего к омывающим мембрану растворам.

1.2 АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ

В последнее время достигнуты большие успехи в изучении активного транспорта, представляющего наибольший интерес из всех видов трансмембранного движения веществ. Особенностью активного транспорта является перенос молекул вещества через мембрану против градиента концентрации, т.е. при неравенстве концентраций (С_е>С_i или С_i>С_е) существует равенство потоков I_е= I_i. Процессы активного транспорта весьма сложны и протекают с участием нескольких мембранных компонентов.

К активному транспорту веществ через мембраны относятся явления эндо - и экзоцитоза.

Эндоцитоз - это явление, благодаря которому внеклеточные вещества попадают внутрь клетки, заключенные в пузырьки из плазматической мембраны, что часто называют - гетерофагосомами. В этом процессе принимают участие плазматическая мембрана, микрофиламенты и контрактильные нити клетки.

Экзоцитоз- это процесс обратный эндоцитозу. Так удаляются в окружающее клетку пространство остаточные тельца.

2. КАНАЛЫ

Под каналами чаще всего понимают ионные каналы, которые, как теперь известно, широко распространены во многих типах клеток. Регулируемые ионные каналы, участвующие в передаче сигнала, в ответ на определенный внешний стимул быстро изменяют мембранную проницаемость для определенного иона. При этом происходит изменение трансмембранного потенциала. К работе такого вида каналов предъявляются некоторые требования. Во-первых, внешний сигнал должен вызывать быстрое переключение между открытым и закрытым состояниями канала. Необходимо чтобы быстро устанавливалось равновесие. Когда канал открыт, через бислой может проходить до 10⁶-10⁸ ионов в секунду. Каналы обладают селективностью, т.е. способность канала пропускать некоторые ионы лучше, чем другие; ее можно качественно охарактеризовать как отношение проницаемостей или проводимостей для сравниваемых ионов. Например, у входа в канал имеются отрицательные заряды, то скорость транспорта анионов может уменьшаться, т.е. канал окажется катионселективным. Размеры переносимых веществ также влияют на скорость транспорта.

Существует большое количество видов каналов. Две большие группы составляют потенциалзависимые ионные каналы и каналы, регулируемые нейромедиаторами.

2.1 НИКОТИНОВЫЙ АЦЕТИЛХОЛИНОВЫЙ РЕЦЕПТОР (nAChR-канал)

nAChR-канал является примером канала, работа которого регулируется нейромедиаторами. Эти каналы находятся главным образом в концевых пластинках постсинаптических мембран нервно-мышечных соединений. При возбуждении нейрона из него высвобождается нейромедиатор ацетилхолин. При взаимодействии с ацетилхолином канал открывается, опосредуя селективное перемещение катионов. nAChR-канал регулируется с помощью химического механизма, которым является ацетилхолин.

Выделенный и очищенный nAChR-канал состоит из пяти полипептидных субъединиц четырех разных типов со стехиометрией б₂вдг. Две копии б-субъединиц, присутствующие в комплексе, выполняют разные функции. Все субъединицы фосфорилированы и гликозилированы, а к двум б и в, ковалентно присоединен липид. Была построена модель канала, приведенная на рис.2.

Рис.2. Модель канала никотинового ацетилхолинового рецептора.

Канал имеет центральное отверстие диаметром 30? с внеклеточного конца и более узкое с цитоплазматической стороны. Пять субъединиц расположены в следующей последовательности: в-б-д-г-б, так что б-субъединицы не соседствуют друг с другом. Места связывания располагаются на б-субъединицах. Канал имеет длину около 140?, причем участок длиной 70? расположен над поверхностью бислоя с наружной стороны, образуя большие ворота канала. В открытой конформации канал проницаем для катионов и небольших неэлектролитов, но не анионов. Селективность канала по отношению к одно- и двухвалентным катионам невелика. Хотя размеры nAChR-канала относительно велики, он все же слишком мал, чтобы через него могли полностью проходить гидратированные ионы.

2.2 НАТРИЕВЫЙ КАНАЛ

Является потенциалзависимым ионным каналом, который обеспечивает быстрое увеличение натриевой проводимости, ответственное за фазу деполяризации при развитии потенциала действия в нервных и мышечных клетках. Каналы, выделенные из тканей млекопитающих, имеют молекулярную массу ~335000. Na⁺ -каналы взаимодействуют с различными токсинами, в частности с тетродотоксином, сакситоксином и б-токсином скорпиона, которые очень прочно связываются с канальными белками и могут использоваться при количественных биохимических измерениях.

Рис.3. Некоторые модели натриевого канала.

А-модель укладки полипептидной цепи; показаны четыре гомологичных домена, каждый из которых имеет шесть трансмембранных спиралей. Знаком + отмечен амфифильный сегмент.Б-гипотетическая организация шести спиралей каждого домена, образующих центр.канал.В-профиль свободной энергии.Г-гипотетическая модель узкого «селективного фильтра».

Было показано, что белок натриевого канала содержит 1820аминокислотных остатков, организованных в четыре повторяющиеся единицы (рис.3.). Каждый гомологичный участок содержит 4, 6 или 8 трансмембранных б-спиралей. Некоторые из этих трансмембранных спиралей амфифильны. Специфические группы организованы в канале таким образом, что образуется «селективный фильтр».

На рис.3. приведен профиль свободной энергии для диффузии ионов Na⁺ через канал. Если лимитирующей стадией является дегидратация, то параметром, определяющим высоту энергетического барьера, будет геометрия тех компонентов, которые временно заменяют воду (пик В на рис.3.).

2.3 КАЛЬЦИЕВЫЙ КАНАЛ

Ca^2+-селективные каналы так же относятся к потенциалзависимым ионным каналам. Широко распространены в возбудимых клетках - нервных и мышечных, а также в большинстве других типов клеток. Некоторые Ca²⁺ -каналы отвечают на изменение напряжения на мембране. Обычно концентрация ионов Ca²⁺ в цитоплазме не превышает 10М, что в 10000 раз ниже, чем концентрация ионов Ca²⁺ вне клетки. Открывание Ca^2+--канала может приводить к значительным изменения концентрации этого иона в цитоплазме, что в свою очередь индуцирует разнообразные биохимические события. Каналы состоят как минимум из двух субъединиц с молекулярной массой 140000 и 30000. Большая субъединица была клонирована и секвенирована, и оказалось структурно близка к потенциалзависимому натриевому каналу.

2.4 ЩЕЛЕВЫЕ КОНТАКТЫ

Щелевые контакты - это кластеры мембранных каналов, которые соединяют содержимое соседних клеток в тканях. Через такие каналы проходят небольшие молекулы - метаболиты и неорганические ионы. Диаметр каналов в клетках млекопитающих составляет от 12 до 20?. Эти каналы соединяют две плазматические мембраны. Исходя из данных об аминокислотной последовательности, можно предположить, что в каждой субъединице имеется четыре трансмембранные б-спирали. Эти каналы находятся обычно в открытом состоянии, но закрываются, когда понижается скорость метаболизма. Каждый канал состоит из 12 субъединиц, по шесть от каждой клетки. Канал представляет собой гексамерную структуру. Два гексамерных комплекса соседних мембран соединены конец к концу и образуют протяженный канал, объединяющий обе мембраны. Структура канала щелевого контакта зависит от наличия ионов Ca²⁺ . В присутствии Ca²⁺ субъединицы расположены параллельно центральной оси канала, а в отсутствии этих ионов несколько наклонены (открытое состояние). Точный механизм открывания и закрывания далеко не ясен.

3. ПОРЫ

В последнее время достигнуты большие успехи в определении строения пор на молекулярном уровне. Особенно ценным в исследованиях оказался метод реконструкции изображения; с его помощью удалось не только визуализировать отверстия в мембране, создаваемые большими порами, но и выявить симметричную организацию субъединиц вокруг центрального отверстия (табл.2).

Таблица 2. Псевдосимметрия некоторых пор.

Важным исключением из б-спирального семейства являются порины, поскольку они формируют поры из в-слоев, а не с помощью б-спиралей. Поры могут образовываться с помощью эндо- и экзогенных веществ.

3.1 ЯДЕРНЫЕ ПОРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Ядерная оболочка клеток млекопитающих содержит 3-4 тысячи пор (примерно 10 пор на 1 квадратный мкм). Через ядерные поры происходит обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Действительно, РНК, синтезируемые в ядре, а также рибосомные субъединицы и белки, содержащие сигналы ядерного экспорта, транспортируются через ядерные поры в цитоплазму, а гистоны, компоненты репликативной системы, многие другие белки импортируются через ядерные поры из цитоплазмы в ядро. Поры окружены большими кольцевыми структурами, называемыми поровыми комплексами (их внутренний диаметр составляет приблизительно 80 нм, а мол. масса -50-100 млн. Каждый комплекс образован набором больших белковых гранул, сгруппированных в октагональную структуру. Поровой комплекс пронизывает двойную мембрану, связывая по окружности поры липидный бислой внутренней и внешней мембран в единое целое. "Дыра" в центре каждого комплекса (ядерная пора) представляет собой водный канал, сквозь который водорастворимые молекулы курсируют между ядром и цитоплазмой. Ядерный поровой комплекс содержит заполненный водой цилиндрический канал диаметром около 9 нм. Большие ядерные белки взаимодействуют с белками-рецепторами, расположенными на границе ядерных пор, и эти рецепторы активно переносят белки в ядро, увеличивая канал поры.

Количество ядерных пор зависит от типа клетки, стадии клеточного цикла и конкретной гормональной ситуации. Для ядерной поры характерна симметрия восьмого порядка, поэтому многие белки ядерной поры представлены в ее составе в количестве, кратном восьми. В электронный микроскоп видны выпуклые кольца. Кольцо, находящееся с ядерной стороны, несет структуру, называемую корзиной (basket). Это образование состоит из обращенных в нуклеоплазму фибрилл и прикрепленного к ним терминального кольца. К просвету канала обращены восемь симметричных образований (spoke complex). В центре комплекса виден вход в канал ядерной поры. Иногда в канале оказывается видна электронноплотная гранула. Некоторые исследователи полагают, что это какой-то транспортирующийся комплекс в момент пересечения ядерной мембраны. Другие считают, что эта структура является функциональной деталью ядерной поры. На основании этого последнего предположения была даже выдвинута не подтвердившаяся впоследствии гипотеза, согласно которой ядерная пора содержит не один, а восемь проницаемых каналов. Молекулы массой менее 5 кДа, проходят через ядерную пору свободно, и равновесие между ядерной и цитоплазматической концентрацией устанавливается за секунды. Для белков массой 17 кДа этот процесс занимает 2 минуты, белков массой 44 кДа (приблизительно 6 нм) - 30 минут. Белки массой более 60 кДа, по-видимому, вообще не могут пассивно проходить через ядерные поры. Проницаемый для гидрофильных макромолекул канал, через который происходит как активный, так и пассивный транспорт, в ядерной поре один, и он, по всей видимости, расположен в центре комплекса. Существуют специальные механизмы транспорта макромолекул внутрь ядра и из ядра в цитоплазму, однако до сих пор о них мало что известно.

3.2 ПОРИНЫ

Порины образуют поры, которые функционируют как молекулярные сита, опосредуя диффузию небольших гидрофильных молекул через наружную мембрану грамотрицательных бактерий. Молекулярная масса поринов варьирует от 28000 до 48000. В мембране обычно присутствуют в виде триммеров. Для поринов характерно высокое (до 60%) содержание в-слоев. Наиболее полно к настоящему времени охарактеризованы порины из Escherichia coli: ОmpF (порин матрикса), ОmpС, РhoE, LamB (мальтопорин). Эти белки имеют молекулярную массу ~35000. Их основной особенностью является то, что они образуют наполненный водой трансмембранный канал, причем этот канал образован в основном в-структурами. На рис.4. представлена одна из возможных моделей образования поринового канала из амфифильных в-цепей.

1

Рис.4.Модель поринового тримера (вид сверху).

Образуемые порином каналы различаются как по размерам (диаметр от 6 до 23?), так и по селективности. Селективность связана с наличием внутри или около входа заряженных аминокислотных остатков. В одних случаях порины образуют один большой канал, в других - три независимых (рис.4.).

Три из четырех поринов Escherichia coli имеют много общих структурных особенностей, а их аминокислотные последовательности в значительной степени гомологичны. Эти порины образуют поры диаметром 10-12 ? (ОmpF, ОmpС, РhoE).

Порины представляют большой интерес, поскольку они показывают, что трансмембранные каналы могут образовывать не только из б-спиралей, но и из в-слоев.

3.3 МЕМБРАННЫЕ ПОРЫ, СОЗДАВАЕМЫЕ ЭКЗОГЕННЫМИ АГЕНТАМИ

1. Токсины и цитолитические белки.

В природе существуют различные водорастворимые токсины, взаимодействующие со специфическими клетками-мишенями. Одни токсины способствуют высвобождению в цитоплазму фермента, оказывающего летальное воздействие, другие просто образуют в мембране неселективные поры, давая возможность метаболитам, ионам, а иногда и макромолекулам выйти из клетки.

Основные свойства некоторых из токсинов, образующих поры в биомембранах.

· Колицины - одиночные полипептиды (60000 Да), и некоторые образуют неселективные поры. Наиболее полно к настоящему времени охарактеризованы колицины Е1 и А. Под действием напряжения происходит переход образуемой колицином Е1 поры из открытого состояния в закрытое, что сопровождается переносом через мембрану значительного количества белка. Пору образует только одна молекула колицина.

· Дифтерийный токсин - одиночный полипептид, при связывании с поверхностными рецепторами определенных клеток образует в мембране канал и высвобождает в цитоплазму фермент, оказывающий летальное действие. Один фрагмент токсина формирует поры, размер которых достаточно велик, чтобы через них мог пройти сегмент токсина.

· Комплекс комплемента и порообразующих белков из цитотоксичных Т-клеток (перфорин) - эти родственные белки сыворотки агрегируют, образуя поры (внутренний диаметр от 100 до 160?) в мембране клеток-мишеней.

2. Пермеабилизация при помощи детергентов.

Сапонин и дигитонин взаимодействуют с холестеролом внутри мембран и образуют агрегаты в виде пор. Образуют большие поры, через которые внутрь клеток могут проникать как набольшие молекулы, так и мактомолекулы.

3. Пермеабилизация при помощи осмотического шока.

Под действием осмотического шока в мембранах образуются отверстия. Так, в мембране эритроцита появляется одно большое отверстие диаметром ~1 мкм, размер которого затем уменьшается до 14-280 ?.

4. МОЛЕКУЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ МОДЕЛЕЙ ПОР И КАНАЛОВ

Особенно интересны в этом отношении:

Ш Нистатин и амфотерицин В - структурные формулы этих сходных полиенов приведены на рис.5. Диаметр поры составляет около 8?. От 8 до 10 молекул полиена образуют цилиндрическую структуру, в которой гидроксилированные сегменты каждой молекулы обращены внутрь, образуя заполненную водой пору.

Рис.5.Структурные формулы нистатина и амфотерицина В и канал, образуемый в мембране этими полиеновыми антибиотиками.

Эта порообразующая молекула является амфифильной, поскольку обладает полярными и наполярными участками. Полярная часть образована гидроксильными и карбонильными группами. Порообразующий комплекс, по-видимому, стабилен внутри слоя.

Ш Грамицидин А-канал образован двумя молекулами грамицидина А, расположенными голова к голове в в (L,D)-спиральной конфигурации (рис.6.). В результате чередования образуется спираль, в которой все боковые цепи располагаются снаружи, а карбонильные группы остова - внутри канала

Рис.6. Схематическое представление канала, образуемого димером грамицидина А в бислое.

Свойства:

а) гидрофобен, нет ни одной полярной аминокислоты;

б) высокая проводимость;

в) канал является катионселективным;

г) проницаемость для одновалентных катионов изменяется: Cs⁺>Rb⁺>K⁺>Na⁺>Li⁺;

д) молекулы могут проходить через канал только поодиночке, поскольку его диаметр составляет всего 4?;

е) вода проходит через канал со скоростью около 10⁸молекул в 1 с при низкой ионной силе;

ж) при достаточно высокой концентрации в мембране (>5мол.%), агрегирует с образованием тубулярных структур.

Ш Аламетицин - представитель природных пептидов, который образует потенциалзависимые каналы. Молекула состоит из 20 аминокислот. Каждый канал образован 6-11 молекулами. Длина составляет 32 ?. Каждый канал образован олигомерным кластером молекул, соединенных водородными связями с образованием стабильной структуры (рис.7.). Представляет хорошую модель, позволяющую объяснить процесс образования поры при ассоциации б-спиралей.

Рис.8. Структура аламетицина

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Принимая во внимание сложную структурную организацию пор и каналов, следует сделать заключение, что поступление веществ в клетку приводит к тому, что происходит запас энергии и поддержание гомеостаза клетки. Транспортные функции белков весьма разнообразны. Жизнедеятельность клетки невозможна без создания и поддержания градиентов концентрации веществ, как электролитов, так и неэлектролитов. Этот градиент поддерживается благодаря действию пассивного и активного транспортов. Главная роль в этом принадлежит: порам, каналам биологических мембран.

ЛИТЕРАТУРА

1. Введение в биомембранологию: Учеб. пособие/Под ред. А.А.Болдырева.- М.: Изд-во МГУ. 1990.-208с.: ил.

2. Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции: пер.с англ.- М.Мир.1997.-624с.; ил.

3. Ленинджер А. Биохимия.- М.: Мир.1985.-Т.1-3.

4. Рыбальченко В. и др. Структура и функции мембран: Практикум. -К. Выща шк.Головное изд-во.1988.-812с.