Модели строения биологических мембран. Липосомы; методы их получения и изучения. Проницаемость биологических мембран. Методы изучения биологических мембран.

Кле́точная мембра́на (также цитолемма, плазмалемма, или плазматическая мембрана) — эластическая молекулярная структура, состоящая из белков и липидов. Отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулирует обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки — компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды.

Мембрана состоит из бислоя фосфолипидов, в который встроены (или присоединены) белки. Белки:поверхностные и интегральные (трансмембранные). Углеводы (гликолипиды и гликопротеины) расположены на внешней поверхности цитоплазматических мембран. Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных «хвостов»(не заряженных), Образованных изуглеводородных цепей,жирных кислот, которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку.Барьерная:мембрана –селективная преграда для проникновения ионов и водорастворимых молекул. Матричная:липидный бислой является матрицей (структурной основой) для удержания белков и ферментов. Механическое разделениеклеток (или органелл) друг от друга. Транспортная:через мембрану происходит перенос (транспорт) веществ. В тканях организма, даже внутри одной клетки, имеются мембранные и межфазовые потенциалы, обусловленные морфологической и химической неоднородностью внутреннего содержимого клеток. При работе сердца, сокращениях мышц и т. п. возникают так называемые токи действия. Существует теория, рассматривающая их появление как результат различной проницаемости клеточных мембран для разных ионов. Вследствие этого концентрация ионов по обеим сторонам мембран неодинакова. В момент возбуждения (сокращение мышц и т. п.) избирательность проницаемости мембран утрачивается и сквозь них устремляется поток ионов — возникает электрический ток. 

Биохимические методы исследования биомембран позволяют выделять в максимально чистом виде отдельные компоненты различных мембран, изучать их физико-химические свойства, способность образовывать надмолекулярные лабильные комплексы, определять время “жизни” отдельных компонентов, путей биосинтеза и распада, влияние на метаболизм различных физико-химических факторов как внутренней, так и внешней среды: ионов, температуры и т.д. 2. Физиологические методы предусматривают исследование различных функций как на естественных, так-и на искусственных мембранах или в модельных опытах на пластинчатых тканях (коже, передней брюшной стенке лягушки, стенке мочевого пузыря мелких животных, стенке кишечника животных, пластинке зеленого листа и др.). Физиологическими методами изучают проницаемость мембран для атомов, ионов, различных молекул; процессы, протекающие в биомембранах при возбуждении, торможении, проведении нервного импульса; поступление, распределение и выведение ионов и молекул из клеток и тканей, влияние физико-химических факторов на состояние мембран и изменение физиологических функций клеток. 3. Генетические методы, основанные на использовании мутантов, дефектных по синтезу определенных мембранных белков, позволяют решать вопросы о роли данных молекул белка в надмолекулярной организации, изменении функций мембран, их самоорганизации. 4. Иммунологические методы предусматривают выделение определенных мембран, использование их как антигенов с целью последующего применения выработанных антигенов для идентификации специфических участков мембран, распределения антигенов на изучаемых участках мембраны, выделения комплексов антиген-антитело с последующим разделением на антиген и антитело. Липосомы — сферические везикулы(это относительно маленькие внутриклеточные органеллы, мембрано-защищённые сумки, в которых запасаются или транспортируются питательные вещества), имеющие один или несколько липидных бислоёв. Образуются в смесях фосфолипидов с водой. Внутри липосом содержится вода или раствор, в котором проводилась ультразвуковая обработка.

Метод моделирования и получения искусственных мембран основан на получении и исследовании моно- и бимолекулярных липидных слоев, везикул, липосом и протеолипосом. Сущ ествует два основных типаискусственных мембран классические плоские и сферические мембраны различного размера. Для получения искусственных мембран используютразличные фосфатиды, нейтральные глицериды, смеси липидов биологического происхождения, добавляя к ним холестерин, а-токоферол и другие минорные добавки. Потенциальная ценность искусственных мембран для исследований зависит от возможности включения в них природных белков, в особенности тех, которые обладают транспортными свойствами. Липосомы, со-стоящ ие из белков и липидов, стали получать в 60-е гг. термин протеолипосомы был введен В. П. Скулачевым. В настоящее время разработан целый ряд методов приготовления различных типовлипосом и протеолипосом, а также их стандартизации по размерам, структуре, гомогенности, стабильности и другим характеристикам. Липосомы используют для доставки в клетку лекарственных и химических соединений, стабилизации ферментов в инженерной энзимологии, введения в клеточные мембраны молекул зондов, модифицирующих и моделирующих их поверхность. Большой интерес для генной инженерии и медицины представляют работы по введению в клетки при помощи липосом нуклеиновых кислот и вирусов. В липосомы включают митохондриальные компоненты и изучают на таких модельных системахпроцессы генерации энергии в клетках. Ультра-тонкие искусственные мембранные структуры — полислои Лен-гмюра—Бложе (ПЛБ) — применяют для получения био- и иммуносенсоров. Создаются ПЛБ с иммобилизованными ферментами и компонентами иммунологических систем. При использовании смешанных липид-белковых пленок ПЛБ получают информацию о функционировании белков и о липид-белковых взаимодействиях в мембране.

Роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белков. Биосинтез нуклеиновых кислот и ДНК-полимеразы. Репликация ДНК. Информационная РНК как посредник в передаче информации от ДНК к рибосоме. Синтез мРНК, процесс транскрипции. Биосинтез белка. Активирование аминокислот. Транспортные РНК и их роль в процессе биосинтеза белка. Процесс трансляции: инициация, элонгация и терминация.

Биосинтез белков в клетках представляет собой начальный этап реализации, или экспрессии генетической информации. В основе биосинтеза единичного белка лежит последовательность реакций матричного типа, в ходе которых последовательная передача наследственной информации с одного типа молекул на другой приводит к образованию полипептидов с генетически обусловленной структурой. В биосинтезе белков принимают участие разнообразные вещества и структуры: ДНК, мРНК, тРНК, рибосомы, разнообразные ферменты, источники энергии (АТФ и ГТФ), а также нуклеотиды (точнее, рибонуклеотиды) и аминокислоты. Двухспиральная, или двухцепочечная ДНК является основным носителем генетической информации. В частности, ДНК содержит информацию о структуре белков. Отражение структуры белков с помощью последовательностей нуклеотидов ДНК называется кодом ДНК, или генетическим кодом – принцип «записи» информации о последовательности аминокислот в полипептидной цепи в виде последовательности нуклеотидов. Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями ДНК и аминокислотами, входящими в состав белков. При биосинтезе белков единицей генетического кода является триплет ДНК – последовательность из трех пар нуклеотидов (точнее, дезоксирибонуклетотидов) в двухцепочечной ДНК или последовательность из трех нуклеотидов в единичной цепи ДНК. Одна из цепей ДНК называется кодирующей (+), и её триплеты называются кодонами. Другая, комплементарная цепь ДНК называется антикодирующей (–), и её триплеты называются антикодонами. Генетический код обладает рядом особенностей: Код «вырожден», т.е. одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Код не перекрывается, т.е. один нуклеотид не может одновременно входить в состав соседних триплетов. Код не имеет знаков препинания, и если один нуклеотид выпадет из тройки, то его место займет ближайший нуклеотид из соседней тройки. У всех живых организмов одинаковые триплеты кодирует одинаковые аминокислоты, что свидетельствует о единстве происхождения всех живых организмов. Матричная, или информационная РНК является посредником в передаче генетической информации и служит матрицей для синтеза полипептида на рибосомах. Каждая молекула мРНК синтезируется на матрице антикодирующей цепи ДНК из отдельных нуклеотидов (рибонуклеотидов) в соответствии с правилами комплементарности (А → У; Т → А; Г → Ц; Ц → Г). В результате образуется последовательность триплетов, отражающая структуру кодирующей цепи ДНК. Таким образом, триплеты мРНК являются кодонами.

Основные этапы биосинтеза белка. Синтез белка осуществляется в рибосомах. В процессе биосинтеза различают несколько этапов: транскрипция, процессинг, активация и транспорт аминокислот, трансляция. При транскрипции генетическая информация, заключенная в молекуле ДНК, переписывается по принципу комплементарности в молекуле гя-РНК: процесс идет при участии ферментов и регулярных белков. Фермент полимераза связывается с геном промотором и начинает расплавлять Н-связи в молекуле ДНК в направлении 5 - 3. При этом к каждой свободной связи сразу же присоединяется нуклеотид молекуле РНК. При помощи ферментов нуклеотиды соединяются между собой, отщепляя полученную РНК от ДНК. Таким образом, синтезируется гя-РНК, которая является первичным транскриптом, несущим как информативные гены, так и неинформативные участки. Заканчиваетя транскрипция геном терминатором. Созревание гя-РНК и превращения ее в и-РНК происходит в ядре в ходе процессинга. Большое участие в этом принимает структурный компанент ядра – сплайсосома. Сплайсосома охватывает участок молекулы РНК и втягивает его в виде петли внутрь. При этом экзонные участки сближаются и сшиваются ферментом лигазой. Затем фермент рестриктаза отрезает неинформативный участок. Образуется и-РНК, несущая только экзоны. В ходе процессинга происходит еще одно важное событие - защита концевых участком молекулы и-РНК, что обеспечивает ее устойчивость. На одном конце молекулы присоединяется цепочка, содержащая 150-200 адениновых нуклеотидов. На другом конце метилированный гуанин через 3 остатка фосфорной кислоты соединяется с первым нуклеотидом РНК. Образовавшаяся и–РНК в ядре соединяется с малой субъединицей рибосомы и переходит в цитоплазму. Активация аминокислот происходит с помощью АТФ путем ее присоединения. Полученный комплекс соединяется с т-РНК при участии ферментов. Образуется аминоацил-тРНК. Каждая т-РНК имеет акцепторный участок, к которому присоединяется аминокислота. В такой форме аминокислота попадает в рибосому. Трансляция – перевод нуклеотидной последовательности и-РНК в полипептидную последовательность белка. Трансляция осуществляется в рибосоме. Связывание аминокислот происходит на большой субъединице. Рибосома имеет два участка для связывания т-РНК: А–участок - аминоацильный и П-участок - пептидильный Это определяет то, что внутри рибосомы в каждый данный момент находится всегда только два кодона и-РНК, один - в А–участке, другой - в П-участке. Рибосома движется относительно и-РНК только в одном направлении, смещаясь на один кодон. Трансляция включает три этапа: инициация, элонгация и терминация. 1) начинается с активации П – участка инициирующей группой – кодон-инициатор АУГ при участии белка-фактора инициации. 2) Молекула т-РНК, несущая первую аминокислоту белковой молекулы, присоединяется к комплементарному ей кодону А-участка. Рибосома перемещается на один кодон вперед, и первая т-РНК оказывается в П-уч, а к новому кодону А–участка присоединяется следующая т-РНК, несущая вторую аминокислоту. Затем между аминокислотами возникает пептидная связь и образуется дипептид. Одновременно разрушается связь между первой аминокислотой и ее т-РНК, которая удаляется, а дипептид становится связанным только со второй т-РНК. Рибосома перемещается еще на один кодон. Комплекс т–РНК – дипептид перемещается в П – участок, а к кодону А–участка присоединяется третья т-РНК. Это происходит до тех пор, пока путем последовательного присоединения аминокислот не будет построена вся полипептидная цепь. 3) Сигналом к окончанию синтеза является приход в А–участок нонсенс- кодона, т.к. не существует ни одного кодона который бы к нему присоединился. Таким образом, в результате трансляции образуется линейным полипептид - первичная структура белковой молекулы. Это, как правило, неактивная молекула. Созревание белковой молекулы и приобретение активной формы происходит в цитоплазме или каналах шероховатой ЭПС.

БИЛЕТ № 13