Что обеспечивает текучесть мембраны

Текучесть мембраны

На текучесть мембран влияют жирные кислоты. Более конкретно, то, являются ли жирные кислоты насыщенными или ненасыщенными, влияет на текучесть мембран. Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей в углеводородной цепи и имеют максимальное количество водорода. Отсутствие двойных связей снижает текучесть, делая мембрану очень прочной и плотно уложенной. Ненасыщенные жирные кислоты имеют по крайней мере одну двойную связь, создавая «петлю» в цепи. Двойная связь увеличивает текучесть. На текучесть мембран также влияет холестерин. Холестерин может сделать клеточную мембрану жидкой, а также жесткой.

На текучесть мембран может влиять ряд факторов. [1] Одним из способов увеличения текучести мембраны является нагревание мембраны. Липиды приобретают тепловую энергию при нагревании; энергичные липиды больше перемещаются, располагаясь и перестраиваясь случайным образом, делая мембрану более жидкой. При низких температурах липиды упорядочены по бокам и организованы в мембране, а липидные цепи в основном находятся в полностью транс-конфигурации и хорошо упаковываются вместе.

Температура плавления Т м <\ displaystyle T_ > мембраны определяется как температура, при которой мембрана переходит от кристаллоподобной к жидкообразной организации или наоборот. Этот фазовый переход не является фактическим переходом между состояниями, но два уровня организации очень похожи на твердое и жидкое состояние.

Текучесть мембраны можно описать двумя разными типами движения: вращательным и боковым. В электронном спиновом резонансе время корреляции вращения спиновых зондов используется для характеристики того, насколько ограничения налагаются на зонд мембраной. При флуоресценции можно использовать стационарную анизотропию зонда в дополнение ко времени корреляции вращения флуоресцентного зонда. [1] Флуоресцентные датчики демонстрируют разную степень предпочтения в условиях ограниченного движения. В гетерогенных мембранах некоторые зонды можно найти только в областях с более высокой текучестью мембран, в то время как другие можно найти только в областях с более низкой текучестью мембран. [6] Предпочтение разделения зондов также может быть показателем текучести мембраны. В спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия средняя ориентация связи углерод-дейтерий дейтерированного липида приводит к определенным спектроскопическим особенностям. Все три метода могут дать некоторую меру усредненной по времени ориентации соответствующей молекулы (зонда), что указывает на динамику вращения молекулы. [1]

Боковое движение молекул внутри мембраны можно измерить с помощью ряда флуоресцентных методов: восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания включает фотообесцвечивание равномерно маркированной мембраны интенсивным лазерным лучом и измерение времени, необходимого флуоресцентным зондам, чтобы диффундировать обратно в фотообесцвеченное пятно. [1] Флуоресцентная корреляционная спектроскопия отслеживает колебания интенсивности флуоресценции, измеренные с помощью небольшого количества зондов в небольшом пространстве. На эти колебания влияет режим боковой диффузии зонда. Отслеживание отдельных частиц включает отслеживание траектории флуоресцентных молекул или частиц золота, прикрепленных к биомолекуле, и применение статистического анализа для извлечения информации о боковой диффузии отслеживаемой частицы. [7]

Коэффициенты диффузии

Плавление заряженных липидных мембран, таких как 1,2-димиристоил-sn-глицеро-3-фосфоглицерин, может происходить в широком диапазоне температур. В этом диапазоне температур эти мембраны становятся очень вязкими. [2]

Источник

В биологии текучесть мембраны относится к вязкость из липидный бислой из клеточная мембрана или синтетическая липидная мембрана. Упаковка липидов может влиять на текучесть мембраны. Вязкость мембраны может повлиять на вращение и распространение белков и других биомолекул внутри мембраны, тем самым влияя на функции этих вещей. [1]

На текучесть мембран влияют жирные кислоты. Более конкретно, то, являются ли жирные кислоты насыщенными или ненасыщенными, влияет на текучесть мембран. Насыщенные жирные кислоты не имеют двойных связей в углеводородной цепи и имеют максимальное количество водорода. Отсутствие двойных связей снижает текучесть, делая мембрану очень прочной и плотно уложенной. Ненасыщенные жирные кислоты имеют по крайней мере одну двойную связь, создавая «петлю» в цепи. Двойная связь увеличивает текучесть. На текучесть мембран также влияет холестерин. Холестерин может сделать клеточную мембрану жидкой, а также жесткой.

Содержание

Факторы, определяющие текучесть мембран

Состав мембраны также может влиять на ее текучесть. Мембрана фосфолипиды включать жирные кислоты разной длины и насыщенность. Липиды с более короткими цепями менее жесткие и менее вязкие, потому что они более восприимчивы к изменениям кинетической энергии из-за меньшего размера молекул и имеют меньшую площадь поверхности для стабилизации. Лондонские силы с соседними гидрофобными цепями. Липидные цепи с двойными углерод-углеродными связями (ненасыщенный) более жесткие, чем липиды, насыщенный с атомами водорода, поскольку двойные связи не могут свободно вращаться. Из-за этой жесткости ненасыщенные двойные связи затрудняют упаковку липидов вместе, создавая перегибы в выпрямленной углеводородной цепи. В то время как отдельные липиды могут быть более жесткими, мембраны, изготовленные из таких липидов, более текучие и имеют меньшую точки плавления: требуется меньше тепловой энергии для достижения такого же уровня текучести, как у мембран из липидов с насыщенными углеводородными цепями. [1] Включение определенных липидов, таких как сфингомиелин, в синтетические липидные мембраны, как известно, укрепляет мембрану. Такие мембраны можно охарактеризовать как «стеклянное состояние, то есть жесткое, но без кристаллического порядка». [2]

Неоднородность физических свойств мембраны

Дискретный липидные домены с различным составом и, следовательно, текучестью мембран, могут сосуществовать в модельных липидных мембранах; это можно наблюдать с помощью флуоресцентная микроскопия. [2] Биологический аналог, ‘липидный плот’, предположительно существует в клеточных мембранах и выполняет биологические функции. [3] Также узкий кольцевая липидная оболочка из мембранные липиды в контакте с интегральные мембранные белки имеют низкую текучесть по сравнению с объемными липидами в биологические мембраны, поскольку эти молекулы липидов остаются на поверхности белка макромолекулы.

Методы измерения

Текучесть мембраны можно описать двумя разными типами движения: вращательным и боковым. В электронном спиновом резонансе время корреляции вращения Количество спиновых зондов используется для определения степени ограничения, накладываемого мембраной на зонд. Во флуоресценции, стационарный анизотропия зонда, помимо времени корреляции вращения флуоресцентного зонда. [1] Флуоресцентные датчики демонстрируют разную степень предпочтения в условиях ограниченного движения. В гетерогенных мембранах некоторые зонды можно найти только в областях с более высокой текучестью мембран, в то время как другие можно найти только в областях с более низкой текучестью мембран. [6] Предпочтение разделения зондов также может быть показателем текучести мембраны. В спектроскопии ядерного магнитного резонанса дейтерия средняя ориентация связи углерод-дейтерий дейтерированного липида приводит к определенным спектроскопическим особенностям. Все три метода могут дать некоторую меру усредненной по времени ориентации соответствующей молекулы (зонда), что указывает на динамику вращения молекулы. [1]

Боковое движение молекул внутри мембраны можно измерить с помощью ряда флуоресцентных методов: восстановление флуоресценции после фотообесцвечивания включает фотообесцвечивание однородно маркированной мембраны интенсивным лазерным лучом и измерение времени, необходимого флуоресцентным зондам, чтобы диффундировать обратно в фотообесцвеченное пятно. [1] Флуоресцентная корреляционная спектроскопия отслеживает колебания интенсивности флуоресценции, измеренные с помощью небольшого количества датчиков в небольшом пространстве. На эти колебания влияет режим боковой диффузии зонда. Отслеживание отдельных частиц включает отслеживание траектории флуоресцентных молекул или частиц золота, прикрепленных к биомолекуле, и применение статистического анализа для извлечения информации о боковой диффузии отслеживаемой частицы. [7]

Биомембраны с дефицитом фосфолипидов

Исследование ширины центральной линии электронный спиновой резонанс спектры тилакоид мембраны и водные дисперсии их всего экстрагируют липиды, меченный стеариновой кислотой метка вращения (имеющий спиновый или доксильный фрагмент при 5,7,9,12,13,14 и 16-м атомах углерода по отношению к карбонильной группе), обнаруживает градиент текучести. Уменьшение ширины линии с 5-го до 16-го атомов углерода представляет возрастающую степень свободы движения (градиент текучести) от стороны головной группы до метильного конца как в нативных мембранах, так и в их водном липидном экстракте (многослойная липосомная структура, типичная для липидный бислой организация). Этот образец указывает на сходство организации липидного бислоя как в нативных мембранах, так и в липосомы. Это наблюдение имеет решающее значение, поскольку тилакоидные мембраны содержат в основном галактолипиды, содержат только 10% фосфолипид, в отличие от других биологических мембран, состоящих в основном из фосфолипидов. Белки в хлоропласт мембраны тилакоидов, по-видимому, ограничивают сегментарную подвижность жирных ацильных цепей липидов от 9 до 16 атомов углерода Vis a vis их липосомальные аналоги. Неожиданно, липосомные жирные ацильные цепи более ограничены в 5-м и 7-м положениях углерода по сравнению с этими положениями в тилакоидных мембранах. Это объяснимо тем, что из-за эффекта ограничения движения в этих положениях, из-за стерический помеха в целом хлорофилл головные группы, особенно в липосомах. Однако в мембранах нативных тилакоидов хлорофиллы в основном образуют комплексы с белками в виде светоуборочные комплексы и может не в значительной степени ограничивать текучесть липидов как таковую. [8]

Коэффициенты диффузии

Коэффициенты диффузии флуоресцентных аналогов липидов составляют около 10 −8 см 2 / с в жидких липидных мембранах. В гелевых липидных мембранах и природных биомембранах коэффициенты диффузии составляют около 10 −11 см 2 / с до 10 −9 см 2 / с. [1]

Заряженные липидные мембраны

Плавление заряженных липидных мембран, таких как 1,2-димиристоил-sn-глицеро-3-фосфоглицерин, может происходить в широком диапазоне температур. В этом диапазоне температур эти мембраны становятся очень вязкими. [2]

Биологическая значимость

Известно, что микроорганизмы, подвергающиеся термическому стрессу, изменяют липидный состав своей клеточной мембраны (см. гомеовязкая адаптация). Это один из способов регулирования текучести мембраны в зависимости от окружающей среды. [1] Известно, что текучесть мембраны влияет на функцию биомолекул, находящихся внутри мембранной структуры или связанных с ней. Например, связывание некоторых периферических белков зависит от текучести мембран. [9] Боковая диффузия (внутри мембранного матрикса) мембранных ферментов может влиять на скорость реакции. [1] Следовательно, мембранозависимые функции, такие как фагоцитоз и клеточная сигнализация, может регулироваться текучестью клеточной мембраны. [10]

Источник

Клеточная мембрана строение и функции

Функции наружной мембраны клетки

Характеристики функций кратко перечислены в таблице:

Предназначение диффузионных мембран

Основное предназначение супердиффузионных мембран для кровли является обеспечение защиты от проникновения внутренней и наружной влаги внутрь теплоизоляционного слоя. Источниками этой влаги могут быть внутренние испарения и атмосферные осадки. Кроме этого, расположенная в кровельном покрытии диффузионная мембрана обеспечивает эффективные условия отвода уже накопившейся в силу тех или иных причин влаги. Супердиффузионную мембрану можно с полной уверенностью назвать одной из важнейших составляющих теплоизоляционного контура, так как она косвенным образом способствует снижению потерь тепловой энергии. Бережливый хозяин собственного дома, знающий толк в экономии, никогда не будет раздумывать о необходимости или отсутствии таковой при принятии решения о покупке и последующей установке диффузионной мембраны. Тем более, что стоимость этого материала на современном рынке строительных материалом можно с уверенностью назвать чисто символической.

Свойства биологических мембран

1.
Способность к самосборке
после
разрушающих воздействий. Это свойство
определяется физико-химическими
особенностями фосфолипидных молекул,
которые в водном растворе собираются
вместе так, что гидрофильные концы
молекул разворачиваются наружу, а
гидрофобные — внутрь. В уже готовые
фосфолипидные слои могут встраиваться
белки

Способность к самосборке имеет
важное значение на клеточном уровне

2. Полупроницаемость
(избирательность в пропускании ионов
и молекул). Обеспечивает поддержание
постоянства ионного и молекулярного
состава в клетке.

3. Текучесть
мембран.
Мембраны не являются жесткими структурами,
они постоянно флюктуируют за счет
вращательных и колебательных движений
молекул липидов и белков. Это обеспечивает
большую скорость протекания ферментативных
и других химических процессов в мембранах.

4. Фрагменты
мембран не имеют свободных концов,
так как замыкаются в пузырьки.

Что такое супердиффузионные мембраны

Диффузионная мембрана – это специальный материал, имеющий двух-, трех- или даже четырехслойную структуру, основу которого составляет нетканый холст. Диффузионные мембраны применяют для защиты утепляющего слоя от проникновения в его толщу испарений. Также, диффузионные мембраны являются превосходной защитой от воды и ветра. При создании крыши, в полном объеме соответствующей всем современным требованиям, каждый застройщик обязательно столкнется с таким понятием, как «кровельный пирог». Для того чтобы крыша выполняла все возложенные на нее функции в течение всего срока эксплуатации, кроме основного кровельного покрытия, необходимо использовать некоторые дополнительные материалы, к числу которых относятся супердиффузионные мембраны. Супердиффузионные мембраны можно использовать при создании кровельного пирога в любой климатической зоне нашей страны. Роль этого дополнительного слоя чрезвычайно важна, так именно его присутствие позволяет снизить силу неблагоприятных воздействий, вызванных экстремальными погодными условиями, а также нивелировать недочеты и ошибки, возникшие в ходе неправильного монтажа кровли.

Строение клеточной мембраны

Клеточная мембрана содержит углеводы, которые покрывают ее, в виде гликокаликса. Это надмембранная структура, которая выполняет барьерную функцию. Белки, расположенные здесь, находятся в свободном состоянии. Несвязанные протеины участвуют в ферментативных реакциях, обеспечивая внеклеточное расщепление веществ.

Белки цитоплазматической мембраны представлены гликопротеинами. По химическому составу выделяют протеины, включенные в липидный слой полностью (на всем протяжении), – интегральные белки. Также периферические, не достигающие одной из поверхностей плазмолеммы.

Первые функционируют как рецепторы, связываясь с нейромедиаторами, гормонами и другими веществами. Вставочные белки необходимы для построения ионных каналов, через которые осуществляется транспорт ионов, гидрофильных субстратов. Вторые являются ферментами, катализирующими внутриклеточные реакции.

Преимущества использования супердиффузионных мембран

Хозяин частного дома, решивший использовать в конструкции кровельного пирога супердиффузионные мембраны, в сравнении с домовладельцами, использующими традиционные технологии, получит ряд неоспоримых преимуществ, среди которых основными можно назвать следующие:

Основные свойства плазматической мембраны

Липидный бислой препятствует проникновению воды. Липиды – гидрофобные соединения, представленные в клетке фосфолипидами. Фосфатная группа обращена наружу и состоит из двух слоев: наружного, направленного во внеклеточную среду, и внутреннего, отграничивающего внутриклеточное содержимое.

Водорастворимые участки носят название гидрофильных головок. Участки с жирной кислотой направлены внутрь клетки, в виде гидрофобных хвостов. Гидрофобная часть взаимодействует с соседними липидами, что обеспечивает прикрепление их друг к другу. Двойной слой обладает избирательной проницаемостью на разных участках.

Так, в середине мембрана непроницаема для глюкозы и мочевины, здесь свободно проходят гидрофобные вещества: диоксид углерода, кислород, алкоголь

Важное значение имеет холестерол, содержание последнего определяет вязкость плазмолеммы

Источник

Строение, свойства и функции универсальной мембраны. Химический состав универсальной мембраны. Транспорт веществ через мембраны

Строение, свойства и функции универсальной мембраны

Химический состав универсальной мембраны.

Транспорт веществ через мембраны.

Липиды – соединения, не растворимые в воде, но растворимые в органических растворителях.

Гликолипиды – продукты соединения липидов с углеводами; содержат 1 или более остатков моносахаридов.

Содержат насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты

Имеют гидрофильную и гидрофобную части

Головка имеет отрицательный заряд или электронейтральна

Липидный бислой – основа мембраны

из 20 аминокислот (АМК)

Формула: NH2 – CH – COOH

Радикалы разные у разных аминокислот

Полипептидная цепь одновременно обладает разными свойствами в разных своих частях гидрофильными и гидрофобными, кислотными и основными, является полиамфи-ионом.

Белки бывают глобулярные и фибриллярные

Вторичная структура – полипептидная цепь образует α-спираль и β-складчатую структуру

Вторичная, третичная и четвертичная структуры белковой молекулы зависят от слабых связей, поэтому легко изменяют свою форму. Белковая глобула проявляет разные свойства в зависимости от того, какие радикалы находятся на ее поверхности. В воде на поверхности глобулы находятся гидрофильные радикалы, в липидном бислое –гидрофобные.

Функции мембранных белков:

Ферменты: катализируют ассоциированные с мембраной реакции.

структурные белки, не имеют ферментативной активности, образуют мембраны

транспортные белки, переносят вещества через мембраны,

белки-рецепторы, воспринимают раздражения,

обеспечивают связь плазмалеммы с цитоскелетом.

Плотная упаковка молекул;

1. Регулируют обмен веществ (транспорт веществ, активность ферментов);

2. Делят клетку на компартменты (замкнутые полости), имеющие разный химический состав; благодаря мембранам в клетке возникают разные градиенты (химического состава, концентрации, электрические, вязкости);

3.Увеличивают внутреннюю поверхность клетки;

4. Участвуют в превращении энергии;

5. Участвуют в адаптации клетки к условиям;

6. Регулируют гомеостаз

Механизмы транспорта веществ через мембраны

Клетка поглощает вещества:

— поступающие из соседних клеток

Клетка поглощает вещества:

— в форме ионов или молекул (СО2, О2, аминокислоты, сахара), т. е. они могут быть заряженными или незаряженными,

— большими или маленькими,

— растворимыми в воде или в липидах

Трудности транспорта веществ через мембрану

Зависят от свойств мембран и транспортируемых веществ.

А) внутренняя часть липидного бислоя мембраны гидрофобна,

В) ионы окружены водной оболочкой, увеличивающей их размер.

Д) концентрация веществ в клетке больше, чем в свободном пространстве, т. е. вещество должно двигаться против градиента концентрации.

Мембранные транспортные белки

Закон диффузии: молекулы газа или растворенного вещества двигаются туда, где их меньше, т. е. по градиенту концентрации.

С ее помощью вещества поступают в свободное пространство клеточной стенки

— вещества, растворимые в жирах

Мембранные транспортные белки

Переносят: маленькие водорастворимые молекулы

(сахара, аминокислоты, нуклеотиды и др.)

Есть во всех мембранах

Наружная поверхность их гидрофобна,

Белки-переносчики переносят растворенные вещества через бислой, изменяя свою форму, при этом участки связывания открываются то с одной, то с другой стороны мембраны

Переносчиками могут быть:

1) Специальные белки,

2) АТФазы (транспортные АТФазы),

Специальные белки – транслокаторы, использующие энергию АТФ

— АТФазы – ферменты, катализирующие реакции:

АДФ + Н3РО4 ↔ АТФ + Н2О

Освобождаемая при гидролизе АТФ энергия (

30 кДж/моль) используется для изменения формы белковой молекулы-переносчика

У высших растений большое значение имеет Н+-АТФаза ( протонный насос или протонная помпа).

Вынос протонов сопровождается поступлением в клетку катионов (антипорт). Вместе с протонами в ту же сторону могут передвигаться анионы (симпорт).

Каналообразующие белки (порины)

образуют в липидном бислое мембраны » поры», заполненные водой. Внутренняя поверхность их гидрофильна, а внешняя гидрофобна. Они могут открываться на короткое время и закрываться. Белковые каналы плазмалеммы обладают избирательностью, т. е. через них проходят ионы только определенного вида и размера.

Два типа транспорта:

Эндоцитоз – в цитозоль

Экзоцитоз – из цитозоля

Везикула отделяется от мембраны (например, плазмалеммы) и передвигается в цитозоле;

затем она соединяется с лизосомой, ферменты которой или разрушают мембрану везикулы или разрушают само вещество на маленькие части, которые проходят через мембрану везикулы в цитозоль

Процесс может идти в обратном направлении. Тогда он называется эктоцитозом.

• Гемицеллюлозы, или полуклетчатки,— это производные пентоз и гексоз. Степень полимеризации у этих соединений меньше по сравнению с клетчаткой (150—300 мономеров).

• Пектиновые вещества — это полимерные соединения углеводного типа. Они обусловливают высокую оводненность клеточной оболочки. Пектиновые вещества содержат большое количество карбоксильных групп и могут эффективно связывать ионы двухвалентных металлов, например, Са+2, что играет роль в объединении компонентов клеточной стенки. Ионы Са+2 могут обмениваться на такие ионы как К+ и Н+, что обеспечивает катионообменную способность.

• Белок экстенсин – структурный белок клеточной стенки, гликопротеид.

Химический состав клеточной стенки

Ионы кальция и магния

Кутин, воск на поверхности

Первичные клеточные стенки содержат из расчета на сухое вещество: 25% целлюлозы, 25% гемицеллюлозы, 35% пектиновых веществ и 1—8% структурных белков.
Во вторичных клеточных стенках
до 60-90% целлюлозы. Утолщение оболочки происходит путем наложения новых слоев на первичную оболочку. Ввиду того, что наложение идет уже на твердую оболочку, фибриллы целлюлозы в каждом слое лежат параллельно, а в соседних слоях — под углом друг к другу.

• По мере дальнейшего старения клеток матрикс оболочки может заполняться различными веществами — лигнином, суберином.

• Лигнин — это полимер, образующийся путем конденсации ароматических спиртов. Включение лигнина сопровождается одревеснением, увеличением прочности и уменьшением растяжимости.

• Суберин — это полимер, мономерами которого являются насыщенные и ненасыщенные оксижирные кислоты. Пропитанные суберином клеточные стенки (опробковение) становятся труднопроницаемыми для воды и растворов.

• На поверхности клеточной стенки могут откладываться кутин и воск.

• Кутин состоит из оксожирных кислот и их солей, выделяется через клеточную стенку на поверхность эпидермальной клетки и участвует в образовании кутикулы. В состав кутикулы могут входить воска, которые также секретирует цитоплазма.

• Кутикула препятствует испарению воды, регулирует водно-тепловой режим тканей растений.

Свободное пространство клеточной стенки – межфибриллярные полости, в которые вещества поступают, и из которых выделяются с помощью диффузии

Апопласт – совокупность свободных пространств и межклетников всех клеток

Симпласт – совокупность протопластов всех клеток, соединенных плазмодесмами

Плазмодесмы – нити цитоплазмы, проходящие через поры и соединяющие протопласты соседних клеток

Функции КС: опора, защита, синтез и транспорт веществ, запас воды

Транспорт воды через мембраны

Аквапорины – специальные белки, образующие в липидном бислое мембраны водные каналы или поры. Внутренняя поверхность их гидрофильна, а внешняя – гидрофобна.

Более 1 млн молекул воды в сек. Вместе с водой могут передвигаться маленькие водорастворимые молекулы. Предполагают, что аквапорины могут транспортировать СО2.

Направление движения воды определяет градиент концентрации веществ (осмотические причины), вода двигается туда, где ее меньше.

Источник