Мембранный транспорт

отграничить живое от неживого
организовать внутри клетки компартменты с различными свойствами
контролировать проникновение в клетку и выход из нее метаболитов
служить запасом ряда биологически активных соединений (арахидоната, холестерина, сфингозина, инозитол-трис-фосфата)
реагировать на внешние сигналы (хемо-, электро- и механорецепторы)
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ
РОЛЬ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ

Полупроницаемый барьер.

Формирование дефектных зон в липидном бислое лежит в основе неспецифической диффузии

Полупроницаемый барьер.

Содержание основных ионов (мМ) в клетках и внеклеточной жидкости различных животных, в сравнении с составом морской воды

Транспортные белки: помпы, каналы, транспортеры
Первичный, активный
Вторичный, пассивный

Мембранные помпы

Бактериородопсин
Halobacterium halobium
Энергия света

Glu204
Бактериородопсин

Родопсины.
bacteriorhodopsin
halorhodopsin
sensory rhodopsin
squid rhodopsin

Типы насосов (транспортных АТФаз)
Семейство
АТФаз
Р-типа
Семейство
АТФаз F- и
V-типа
Семейство
АТФаз АВС

Конформация О – связывающий центр доступен для АДФ и Фн
Конформация L – связывание АДФ и Фн с низким сродством
Конформация Т – связывание АДФ и Фн с высоким сродством
4
Аспарагиновая кислота

Конформация О – связывающий центр доступен для АДФ и Фн
Конформация L – связывание АДФ и Фн с низким сродством
Конформация Т – связывание АДФ и Фн с высоким сродством
4
2
Аспарагиновая кислота
Глутаминовая к-та

Роль АТФаз V-типа в обеспечении функций различных клеток
Передача сигнала, рецепторы

Р-АТФ-азы
Β-аспартил-фосфат
SERCA1

Модель активации мышечной Ca2+ ATPase, локализованной на мембране саркоплазматического ретикулума
P-класс
SERCA1

P-класс
12mM
145mM
4mM
139mM

Структура Na,K-АТФазы
Нуклеотид-связывающий
домен
Активаторный домен
5
4
6
8
19 кДа фрагмент
Фосфорилируемый
домен
1
2
3
7
9
10
Участки гликозилирования
P-класс

Модель рабоыты Na+/K+ ATPase на плазматической мембране.

Na,K –ATФаза ингибируется уабаином
В 1785 году Визеринг начал использовать листья наперстянки для лечения сердечной недостаточности. Действующим началом являлся дигитоксин, соединение, относящееся к сердечным гликозидам – группе стероидных О-гликозидов. Наиболее известным соединением этого ряда является уабаин
(Digitalis purpurea)
Лактоновое
кольцо
Циклопентанпер-
гидрофенантрено-
вое ядро
сахар

P4-ATPase, флиппаза

Distribution of PS throughout the cell.

ABC транспортеры
(ATP-Binding “Cassette”)

ABC транспортеры
(ATP-Binding “Cassette”)

Захват гистидина грамм-отрицательными бактериями
permease

ABC транспортеры

Импорт

α-гемолизинE.coli
протеазы E. chrysanthemi
колицинVE.coli
субтилин B.subtilis
капсулярный полисахарид E.coli
по M. Fathеt al., 1993
Оперон

ABC транспортеры эукариот

АВС-А1
и транспорт холестерола

Множественная лекарственная устойчивость

Множественная лекарственная устойчивость

MDR1
Pgp

MDR1

МНС I

Трансмембранный регулятор муковисцидоза CFTP-cystic fibrosis transmembrane regulator
транспортер

Основные классы АТФаз в клетках и болезни, связанные с нарушением их функционирования

Белки-переносчики
Движущими силами пассивного транспорта могут служить следующие градиенты:
-концентрационный – для нейтральных молекул
-электрохимический – для ионов
-градиент гидростатического давления и осмотический градиент – для воды

Мембранные переносчики
major facilitator superfamily (MFS)

Концентрация S определяет скорость связывания и освобождения.
Лимитирующая стадия – скорость конформационного изменения.
+заряд
102-104 мол/сек

Унипорт
GLUT1 эритроциты

Симпорт
SGLT1
желудок

Симпорт
GLUT2
Унипорт
SGLT1

Симпорт

Примеры транспортеров симпортеров

Примеры транспортеров симпортеров

Антипорт

ATP/ADP Транслоказа
Антипорт

Примеры транспортеров антипортеров

Na-Ca antiport
Кардиомиоциты
Антипорт

Анионный транспорт через мембрану эритроцита в системном и легочном капиллярах.

Закисление полости желудка париетальными клетками.
P-class pump

Транспорт йонов и сахарозы в растительной вакуоли.
Мембрана вакуоли содержит 2 типа протонных помп:
V-class H+ ATPase и уникальную
pyrophosphate-hydrolyzing proton pump.

Ингибиторы белков-переносчиков

Каналы

Функции йонных каналов:
Регуляция водного обмена клетки: объём и тургор.
2. Регуляция pH: закисление и защелачивание.
3. Регуляция ионного обмена (обмен солей): изменение внутриклеточного ионного состава и концентрации.
4. Создание и изменение мембранных потенциалов: потенциал покоя; в возбудимых клетках - локальные потенциалы, потенциал действия.
5. Проведение возбуждения в возбудимых клетках: обеспечение движения нервных импульсов.
6. Трансдукция в сенсорных рецепторах: преобразование раздражения (стимула) в возбуждение.
7. Управление активностью клетки: за счёт обеспечения потоков вторичного мессенджера - Са2+.

По строению (родству их химического строения и происхождения образующих их белков). По строению (структуре) и по происхождению от однотипных генов различные ИК объединяются в отдельные семейства.
По селективности (степени избирательной проницаемости к определённым ионам). Натриевые, калиевые, хлорные и т.п.
3. По способу управления их состоянием. Потенциал-управляемые, хемо-управляемые и т.д.
4. По связывающимся с ними лигандам (в том числе веществам-маркёрам) и т.д. Выделяют три семейства лиганд-активируемых ИК: 1) семейство с пуриновыми рецепторами (АТФ-активируемые), 2) с никотиновыми АХ-рецепторами, ГАМК-, глицин- и серотонин-рецепторами, 3) с глутаматными рецепторами.
Классификации каналов

Строение канала.

Схема строения ионного канала
(на примере K+-канала Streptomyces lividans)
Сформирован из 4 TVGYG-мотивов
Открытие канала регулируется внутриклеточным рН

Селективность
Na 0,095нм
К 0,13нм

Калиевый канал
Селективность
Натриевый канал

Каналы покоя
Воротные каналы
Управляемость
Неуправляемые, потенциал-управляемые, хемоуправляемые, стимул-управляемые, опосредованно-управляемые, актин-управляемые

Са-активируемый К канал
Управляемость

Гомоцистеин
Глутамат
N-метил-D-аспартат
NMDA-рецептор – пример лиганд-управляемого ионного канала
(Carlson, 1998)
NR1
NR2

+2b субъединицы

Потенциал-управляемый К канал

1. Открытое. Канал открыт и через него происходит перемещение ионов.
2. Закрытое. Канал закрыт и ионы не проходят через него.
3. Активированное. Канал может выполнять свои функции, т.е. открываться и закрываться под действием его регуляторов (управляющих веществ или электрических потенциалов).
4. Инактивированное. Канал не может выполнять свои функции, т.е. открываться и закрываться, он "фиксируется" в каком-то одном состоянии.
5. Блокированное. Канал перекрыт, инактивирован веществом-антагонистом (блокатором), занявшем место управляющего вещества.
6. Модулированное . Канал изменяет свои обычные свойства под действием фосфорилирования - присоединения к какому-то его участку фосфатного остатка.

Активация
Инактивация:
Быстрая
Медленная

Тетродотоксин: токсин рыбы фугу.
Блокатор Na-каналов

Динофлагелляты: водоросли, ответственные за образование «красных приливов»
Сакситоксин блокирует потенциал-зависимые Na-каналы

Тубокурарин (кураре)
Тубокурарин – блокирует натриевый канал, чувствительный к ацетилхолину

Дендротоксин из яда черной мамбы
Дендротоксин – блокатор потенциал-зависимых калиевых каналов

Ингибиторы каналов

Мутации в генах, кодирующих каналы, вызывают заболевания

Carbonyl cyanide-p-trifluoromethoxyphenylhydrazone (FCCP)
Gramicidin
Valinomycin
Nigericin
Ионофоры

Порины
A trimeric OmpF channel in the lipid bilayer of the outer bacterial membrane is a pathway for penicillin antibiotics to the periplasmic space. For simplicity, the inner glycerophospholipid bilayer of the double membrane of Gram-negative bacteria is not shown. Between the inner and the outer membranes there is a thin, rigid, highly porous layer of peptidoglycan that surrounds and protects bacteria cells mechanically. Peptidoglycan is the main target of β-lactam antibiotics. These drugs are structural analogues of the terminal D-alanyl-D-alanine unit that participates in peptidoglycan synthesis and are able to interrupt the process eventually leading to bacteria death.
Видо и родо-специфические антигены:
Определение бактерий
Иммунный ответ
Доставка антибиотиков
Создание направленных мутаций
Устойчивы к протеазам
5суперсемейств
Пластиды 3
Пероксисомы3
И т.д.
Для митох 4
OmpF, OmpC, PhoE

Порины

Рorin superfamily I
The mitochondrial and plastid porin (MPP)
Porin Superfamily II (MspA Superfamily)
1.B.24 - The Mycobacterial Porin (MBP) Family
1.B.58 - Nocardial Hetero-oligomeric Cell Wall Channel (NfpA/B) Family
Porin Superfamily III
1.B.28 - The Plastid Outer Envelope Porin of 24 kDa (OEP24) Family
1.B.47 - The Plastid Outer Envelope Porin of 37 kDa (OEP37) Family
Porin Superfamily IV
(Tim17/OEP16/PxMPL (TOP) Superfamily)
This superfamily includes protein that comprise pores in multicomponent protein translocases as follows:
3.A.8 - [Tim17 Tim22 Tim23; 1.B.69 - PXMP4 PMP24 ; 3.D.9 - NDH 21.3 kDa component
1.B.30 - The Plastid Outer Envelope Porin of 16 kDa (OEP16) Family
1.B.69 - The Peroxysomal Membrane Porin 4 (PxMP4) Family
3.A.8 - The Mitochondrial Protein Translocase (MPT) Family
Porin Superfamily V (Corynebacterial PorA/PorH Superfamily)
1.B.34 - The Corynebacterial Porin A (PorA) Family 1.B.59 - The Outer Membrane Porin, PorH (PorH) Family
Порины

Биогенез поринов.

N. meningitidis
E. coli
mitochondriа
Биогенез поринов.

Порины в митохондриях
voltage-dependent anion channel (VDAC)

Порины в митохондриях

Model of the mechanism of uniport transport by GLUT1, which is believed to shuttle between two conformational states.
In one conformation the glucose-binding site faces outward; in the other the binding site faces inward. Binding of glucose to the outward-facing binding site triggers a conformational change in the transporter, moving the bound glucose through the protein such that it is now bound to the inward-facing binding site. Glucose can then be released to the inside of the cell. Finally, the transporter undergoes the reverse conformational change, inactivating the inward-facing glucose binding site and regenerating the outward-facing one. If the concentration of glucose is higher inside the cell than outside, the cycle will work in reverse, catalyzing net movement of glucose from inside to out.
Аквапорин
Аквапорин 1 из эритроцитов
Молекулярная масса ~30 kDa
В мембране в виде тетрамеров