Тема: «Современные представления о строении биологических мембран»
Коллоквиум №1
Тема: «Современные представления о строении биологических мембран»
1. Роль и функции биологических мембран.
2. Методы изучения структуры мембран:
- электронная микроскопия,
- рентгено-структурный анализ,
- метод флюоресцентных зондов,
- метод восстановленной флуоресценции после фотоотбеливания,
- метод конфокальной лазерной сканирующей микроскопии,
- ядерно-магнитный резонанс
3. Методы изучения структуры мембран:
- метод спектроскопии комбинационного рассеяния,
- микроспектроскопия комбинационного рассеяния,
- метод динамической фазовой микроскопии,
- электронный парамагнитный резонанс
4. Развитие представлений о строении биомембран. Модель Зингера - Никольсона.
5. Химический состав биологических мембран: соотношение белков и липидов. Классификация мембранных белков.
6. Строение основных липидов биомембран.
7. Ассиметрия биомембран. Фазовые переходы в биологических мембранах. Роль холестерина в биологических мембранах.
8. Физическая природа сил взаимодействия белков и липидов в структуре мембран.
9. Искусственные фосфолипидные мембраны как модели биологических мембран (липосомы, протеолипосомы).
10.Состояние воды в клетке. Свободная и структурированная вода в клетке.
11.Адгезия живых клеток.
Основная литература:
Биофизика. Учебник для вузов /Под ред.Антонов В.А..- М.: Владос, 2003.
Рубин А.Б. Биофизика.В 2 т. М.: Изд-во МГУ: Наука, 2004.
Болдырев А.А. Биомембранология. Учебное пособие.– Петрозаводск: Изд-во Кар НЦ РАН, 2006.– 226 с.
Сердюк И. Методы в молекулярной биофизике. Структура. Функция. Динамика. 2010.
Биофизика: Учеб./В.В. Ревин, Г.В. Максимов, О.Р. Кольс. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2002.
1.Роль и функции биологических мембран.
Биологические мембраны (membrana оболочка, перепонка) - функционально активные поверхностные структуры толщиной в несколько молекулярных слоев, ограничивающие цитоплазму клетки и внутриклеточные органеллы, а также образующие единую внутриклеточную систему канальцев, складок, замкнутых областей. Имеются в клетках всех организмов; отсутствуют только у некоторыхрых вирусов.
Мембранные структуры клетки представлены поверхностной (клеточная, или плазматическая) мембраной и внутриклеточными мембранами (митохондриальной, ядерной, лизосомной и др.). Толщина биологической мембраны составляет 7-10 нм, однако благодаря сравнительно плотной упаковке основных компонентов, а также большой общей площади клеточные мембраны составляют обычно более половины всей массы клетки (в пересчете на сухой вес). Биологические мембраны состоят в основном из белков, липидов, углеводов и воды.
Мембранные липиды - низкомолекулярные вещества. Основную часть липидов составляют полярные липиды. Они представлены главным образом фосфолипидами - фосфатидилхолином (лецитином) и фосфатидилэтанолами (кефалином). В животных клетках содержится значительное количество стеринов, преимущественно холестерина, играющего важную роль в этиологии гиперхолестеринемии, атеросклероза и др.
Углеводы мембран химически связаны либо с липидами (гликолипиды), либо с белками (гликопротеиды). Гликолипиды и гликопротеиды функционально чрезвычайно важны, поскольку часто определяют иммуноспецифичность клетки, ее способность к взаимодействию с гормонами, медиаторами, токсинами и др.
Белковый состав биологических мембран исключительно разнообразен. Большинство мембран содержит белки с молекулярной массой от 25 000 до 100 000 дальтон и выше. Мембранные белки по биологической роли делят на три группы:
· обладающие каталитической активностью (ферменты),
· специфически связывающие те или иные вещества (рецепторные белки),
· неактивные, или структурные, белки.
Число ферментов в клетке очень велико. Даже простейшая бактериальная клетка содержит по крайней мере около 100 различных ферментов. Многие ферменты могут функционировать только будучи связанными с мембраной.
Рецепторными называют белки, специфически связывающие низкомолекулярные вещества, например, ацетилхолин. Структурные мембранные белки лишены ферментативной активности. Их биологическая роль мало изучена.
Структурную основу биологических мембран составляет фосфолипидный биомолекулярный слой (бислой), который выполняет функции барьера для ионов и водорастворимых молекул. Он содержит мембранные белки, гликолипиды и гликопротеиды. Белки мембран могут находиться на поверхности липидного бислоя, удерживаемые преимущественно электростатическими силами (периферические белки), либо проникать глубоко в липидный бислой или даже пронизывать его насквозь.
Основные, функции биологических мембран. Для клеток и субклеточных частиц биологических мембран выполняют роль механического осмотического и гидростатического барьера, ограничивающего их от внешнего пространства. В клетках животных необходимость в жесткой оболочке (клеточной стенке) отсутствует. Некоторую жесткость этим клеткам придает небольшой примембранный слой, а также белковые структуры цитоплазмы, примыкающие к внутренней поверхности плазматической мембраны. В зависимости от условий функционирования плазматическая мембрана может образовывать различного типа выросты и выпячивания. Это - микроворсинки, образующие щеточные каемки (например, в клетках эпителия кишечника и почек), микропики, различного рода псевдоподии и пластинчатые выступы. Одна из центральных функций биологических мембран - транспорт веществ через них и регуляция этого процесса. Она сопряжена с такими важнейшими биологическими явлениями, как:
· постоянство внутриклеточного состава ионов,
· возбуждение и проведение нервного импульса,
· запасание и трансформация энергии,
· процессы метаболизма и т. п.
2.Методы изучения структуры мембран:
- электронная микроскопия,
- рентгено-структурный анализ,
- метод флюоресцентных зондов,
- метод восстановленной флуоресценции после фотоотбеливания,
- метод конфокальной лазерной сканирующей микроскопии,
- ядерно-магнитный резонанс
Ø Электронная микроскопия.
Электронная м-я- это метод исследования структур, находящихся вне пределов видимости светового микроскопа и имеющих размеры менее одного микрона (от 1 мк до 1-5 А).
Для электрона,длина волны будет составлять 0,0242А
В трансмиссионном (просвечивающем) электроном микроскопе электроны проходят через образец,поэтому для изучения можно исп-ть только очень тонкие срезы или частицы,т.к электроны легко рассеиваются или поглощаются исследуемым обьектом. Части образца с относительно высокой молек.массой в наибольшей степени вызвают рассеивание электронов,поэтому при окрашивании образца с целью изучения контраста исп-ся тяжелые металлы, такие как свинец или уран. Образец обычно удерживается на маленькой медной сетке (2 мм в диаметре), которую иногда для большей прочности покрывают пластмассовой пленкой. Пройдтя через образец , электроны собираются и фокусируются добавочными электромагнитн.линзами . Электроны невидимы для человеч глаза, поэтому они направл-ся или на флуоресцнт-й экран,который воспросзводит изображение,или же непосредственно на фотопленку,чтобы получить постоянный фотоснимок .
Один из типов просвечивающей электронной м\и. Пучок электронов пропускается через образец,но в отличие от обычной м\ии,электронный пучок фокусируется в точку,которая перемещается по образцу.
Подготовка образцов для электронной м\и.
1.Окрашивание ультратонких срезов тяжелыми металлами (нитратом свинца,осмиевая кислота)
2. Негативное контрастирование,окраш-ся фон,сам образец остается не окрашенным.(удобен для мелких частиц, рибосомы,вирусы).
3. Напыление (напыляют золотом или платиной)
4. Замораживание-скалывание и замораживание- травление.
Фрагмент ткани замор-ся при очень низкой температуре и затем разламывается с помощью очень острого металлического лезвия. Ткань трескается вдоль слабо соединенныз плоскостей,которым часто явл-ся мембрана. Образец выдерживают на холоде в глубоком вакууме,в этих условиях лед возгоняется,оставляя сколотую поверхность.
Реплика этой повер-ти создается откладывающимися на ней слоем углерода. На эту реплеку из углерода напыливается тяжел.металл, а ткани под репликой разрушаются,как правило, действием сильн.кисоты при норм. Атмосферном давл. Этот метод очень удобен при изучении структуры мембраны, Его преимущество состоит в том что живые ткани быстро умервщляются, не подвергаясь хим.обработке,которая может повлиять на их структуру.
Ø Рентгено-структурный анализ.