ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ КАФЕДРА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ Доклад по молекулярной биофизике Васюнькина Елена Владимировна 1 Schematic representation of a biological membrane with various lipids in different physical states and embedded or adsorbed proteins. Courtesy Heiko Seeger, NBI. Биологические мембраны 2 Общие сведения • Толщина биологической мембраны – 5 нм, • Свойства мембраны зависят от многих факторов: – – – – – – температуры, давления, электрических полей, значения pH, концентрации солей, присутствия белков и их конформации. Биологические мембраны 3 Функции мембран • Барьерная: • отделение клетки от окружающей среды, • разделение внутреннего объема клетки на сравнительно изолированные ‘отсеки’ (compartments), • контроль проникновения в клетку и выход из нее метаболитов, • внутриклеточная регуляция и передача сигналов и импульсов между клетками. • Функция «монтажной платы» или матрицы, • Механическая, • Создание среды для защиты гидрофобных белков от водной атаки и обеспечения их функций, • Запасание ряда биологически активных соединений (арахидоната, холестерина, сфингозина, инозитолтрис-фосфата), • Контроль работы мембранных белков. Биологические мембраны 4 Состав мембран Три класса веществ Белки 40-60% от общего веса (согласно некоторым данным 20-80% ). В значительной мере определяют свойства мембран и их функциональную активность. Липиды (жиры) 3 основные группы: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. Углеводы Часть углеводов представлена свободными олигосахаридами, а часть входит в состав сложных липидов (гликолипиды) или сложных белков (гликопротеиды) . Биологические мембраны 5 Липидный бислой • Липиды клеточных структур эукариотических клеток представлены 3 основными группами: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. • Распространение и свойства фосфолипидов изучены наиболее детально. Строение фосфотидилхолина Биологические мембраны 6 Структура фосфолипида 7 Гликолипиды Гликолипиды клеточных мембран гликозильные производные церамида, представлены цереброзидами, сульфатидами и ганглиозидами. Структура сфингомиелина (церамидфосфорилхолина). Пунктиром обведена сфингозиновая группировка. Биологические мембраны 8 Стероиды • Стероиды – спирты со стерановым скелетом, к которым относятся как немембранные липиды (из них наиболее важны гормоны), так и компоненты мембран. • В перечень мембранных компонентов стероидного ряда входят холестерин, ситостерин, тетрахименин. Структура холестерина Биологические мембраны 9 Фазовые состояния в мембранах Биологические мембраны 10 Роль холестерина в биологических мембранах Холестерол играет роль регулятора, обеспечивающего правильную упаковку липидной части мембраны, необходимую для ее нормальной работы. Один из возможных способов взаимной укладки фосфолипида и холестерина в бислойной липидной мембране Биологические мембраны 11 Образование доменов в искусственных мембранах Впервые образование доменов в на искусственных мембранах было продемонстрировано в 1999 году. Биологические мембраны 12 Домены в биологических системах Биологические мембраны 13 Кривизна мембраны Формула Хелфрича (1973): g 1 K B (c1 c2 c0 ) 2 K G c1c2 2 (1) где K B - модуль изгиба, K G - гауссовский модуль кривизны, c0 - спонтанная кривизна. Спонтанная кривизна – это кривизна мембраны в равновесном состоянии. Она зависит от асимметрии мембраны (разного белкового и липидного состава монослоев), потенциала, значения pH и т.д. Биологические мембраны 14 Константа эластичности Эластичность кривизны – величина, обратно пропорциональная модулю кривизны (1). В 1974 Эванс показал, что величина эластичности кривизны прямо пропорциональна величине поверхностного сжатия. Биологические мембраны 15 Изогнутые фазы Биологические мембраны 16 Литература 1. 2. 3. Болдырев А.А. Биомембранология [Текст]: учебное пособие. / А.А. Болдырев, Е.И. Кяйвяряйнен, В.А. Илюха. – Петрозаводск: Кар НЦ РАН, 2006. – 226 с. Владимиров Ю.А. Биологические мембраны. Строение, свойства, функции. Heimburg T. Physical Properties of Biological Membranes. / T. Heimburg. // arXiv:0902.2454v2 [physics.bio-ph] 16 Feb 2009. Биологические мембраны 17