2 курс / Нормальная физиология / Молекулярная_физиология_Пятин_В_Ф_,_Баишева_Г_М_и_др_

ПРИЛОЖЕНИЕ 4, 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ОСНОВНЫЕ ЛИПИДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ МЕМБРАН

Обозначения: PC – фосфатидилхолин; PE – фосфатидилэтаноламин; PS – фосфатидил-

серин; SM – сфингомиелин.W.Dowgan, M.Bogdanov, 2002.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. РАЗНОВИДНОСТИ МЕМБРАННЫХ ПЛОТОВ

А. Нанокластеры холестерола, сфингомиелина, гликосфинголипидов и белков плазматической мембраны различаются по составу. Считается, что в эти кластеры входят ГФИ (гликозилфосфатидилинозитол) -заякоренные белки, трансмембранные (ТМ) белки, специфичные для рафтов, и цитоплазматические белки, связанные с актиновыми филаментами. «Обычные» ТМ-белки не входят в состав рафтов.

Б. В ответ на внешние сигналы нанокластеры могут сливаться с образованием рафтовой платформы, важной для ТМ передачи сигналов и мембранного транспорта.

В. Рафтовая фаза, видимая в микроскоп (ø ≈ 1 мкм), наблюдается исключительно в равновесных мембранных системах, таких как гигантские синтетические или мембранные везикулы. В «нативных» мембранах постоянный обмен веществом и энергией «дробит» рафтовую фазу до мелких размеров.

ПРИЛОЖЕНИЕ6,67

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ БЕЛКОВ, ВСТРОЕННЫХ В МЕМБРАНУ

А - принципиальная схема полипептидной молекулы, встроенной в липидный бислой. Известными символами обозначены аминокислоты, входящие в состав белка. Б - модель полипептидной молекулы, встроенной в липидный бислой. Аминокислоты обозначены глобулами. В - модели полипептидных молекул, встроенных в липидный бислой.Трансмембранныефрагментыкаждоймолекулыобозначены спиралями. Г - основная используемая модель полипептидной молекулы, встроенной в липидный бислой. Трансмембранный фрагмент молекулы обозначен цилиндром. Д - модели полипептидных молекул, встроенных в липидный бислой. Трансмембранные фрагменты каждой молекулы обозначены цилиндрами.

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. МОЗАИЧНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПРОСТЕЙШЕЙ ОДНОКОМПОНЕНТНОЙ МЕМБРАНЫ

Слева представлена идеальнаямодельмембраны, справа — поверхность полноатомной мембраны (ДОФС), раскрашенной по гидрофобности.

Даже в случае однокомпонентной липидной мембраны ее поверхность не является однородно полярной, как это можно предположить из схематического представления о мембране по гипотезе сэндвича. Часть гидрофильных хвостиков липидов мембран всплывает на границу вода—мембрана и формирует гидрофобные участки. В итоге мы имеем мозаично организованную поверхность, на которой в полярном «море» рассредоточены гидрофобные «островки» размером до нескольких нм2.

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ

Основные принципы транспорта ионов и некоторых веществ через мембрану.

А - основные пути транспорта веществ через мембрану. Б - показаны различные типы ионных каналов, обеспечивающие транспорт ионов по электрохимическому градиенту. В - насосы, обеспечивающие транспорт ионов против градиента концентрации, обменники и транспортеры. Г и Д- транспортные системы органелл.

ПРИЛОЖЕНИЕ 9

ПРИЛОЖЕНИЕ 9. МЕХАНИЗМЫ ИОННОЙ СЕЛЕКТИВНОСТИ

Механизмы ионной селективности и проведения ионов Na+ и K+ через K+-канал бактерии

Streptomyces lividans.

А - схема гидратированных и дегидратированных ионов Na+ и K+ в растворе и в поре К+- канала.

Б - схема электронной плотности, полученная с высоким разрешением методом рентгеновской кристаллографии, демонстрирует ионы K+, проходящие через селективный фильтр.

В - интерпретация карты электронной плотности, демонстрирующая два альтернативных положения, при которых ионы K+ двигаются через канал.

ПРИЛОЖЕНИЕ 12

ПРИЛОЖЕНИЕ 12. РАЗНОВИДНОСТИ ТОКСИНОВ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПОТЕНЦИАЛУПРАВЛЯЕМЫЕ ИОННЫЕ КАНАЛЫ*

Растительных, животных и бактериальных токсинов известно огромное количество, мы остановимся на нескольких, объединенных общей мишенью — все они воздействуют на потенциал-управляемые натриевые каналы в мембранах нервных клеток.

1.Тетродотоксин как «пробка»

Рыба фугу — японский деликатес, популярный у любителей острых ощуще-

ний. Готовить рыбу фугу (иглобрюх, скалозуб - Tetraodontidae) разрешено только поварам, имеющим специальные сертификаты. Малейшее нарушение технологии может привести к смерти. Тетродотоксин — один из самых высокоактивных токсинов в природе. В последние годы среди ученых крепнет убеждение, что тетродотоксин вырабатывают не сами рыбы, а бактерии рода Vibrio, обитающие в их организме. Тетродотоксин связывается во внешнем устье канала, там, где расположен селективный фильтр. Его действие можно уподобить затыканию бутылки пробкой. Структура тетродотоксина практически идеально соответствует воронкообразной структуре устья канала. Попадание токсина в организм приводит к резкой потере активности Na+-каналов.

Рис. 1. Рыба фугу (Takifugu rubripes) (слева) и молекула тетродоксина в устье Na+- канала (справа).

2. Конотоксин как «крышка»

Яд помогает им добывать пищу: конусы выбрасывают особый вырост ротового аппарата и поражают им других моллюсков или рыб. Но их яд весьма опасен и для

Рис. 2. Моллюск конус, μ-конотоксин, молекула конотоксина в устье Na+-канала. Конотоксины синтезируют хищные брюхоногие моллюски рода Conus.

Батрахотоксин какПРИЛОЖЕНИЕ«распорка12»

человека. Конотоксины — пептиды, как правило, с несколькими цистеиновыми S-S-мостиками, которые обеспечивают более или менее жесткую укладку аминокислотной цепочки. Конусы производят множество пептидных токсинов, принадлежащих к разным семействам и атакующих различные мишени. Часть из них воздействуют на потенциал-управляемые каналы -μ-конотоксины. Они связываются в том же устье Na+-канала, что и тетродотоксин. Но пептидный токсин внутрь узкой части канала пройти не может, поэтому он «садится» на канал сверху, как крышка. Конотоксины реализуют иную стратегию для блокирования канала. Чтобы войти в устье, положительно заряженный ион натрия должен взаимодействовать там с отрицательно заряженными остатками аспартата и глутамата, для того, чтобы избавиться от молекул воды. Именно на аспартаты и глутаматы «охотится» конотоксин. За счет положительно заряженных остатков лизина и аргинина связываются необходимые для прохождения натрия аспартаты и глутаматы. В результате канал не перекрыт полностью, но все равно блокирован.

3.Батрахотоксин как «распорка»

Третий класс соединений, воздействующих на потенциал-зависимые натрие-

вые каналы, представляет батрахотоксин южноамериканских лягушек листолазов (Phyllobates). Это один из сильнейших ядов (токсин небелковой природы из группы стероидных алкалоидов): полулетальная доза, рассчитанная для употребления внутрь, составляет 2-7 мкг/кг (у стрихнина, например, миллиграммы на килограмм, у тетродотоксина — сотни микрограммов на килограмм). Растительные аналоги яда - вератридин и аконитин. Связывание этих токсинов в поре канала приводит к тому, что канал удерживается в открытом состоянии (распорка) и непрерывно пропускает ионы.

Рис. 3. Листолаз ужасный (Phyllobatester ribilis) (слева) и молекула батрахотоксина

впоре канала (справа). Стрелкой указано направление движения ионов в канале.

*Использованы материалы статьи Тихонова Д.Б. «Яды против ионных каналов» («ХиЖ», 2014, №3)

ПРИЛОЖЕНИЕ 13

ПРИЛОЖЕНИЕ 13. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ИЗОФОРМ АКВАПОРИНОВ

Аквапорины — интегральные мембранные белки, формирующие поры в мембранах клеток. Аквапорины, или «водные каналы», избирательно пропускают молекулы воды, позволяя ей поступать в клетку и покидать её, в то же время препятствуя протоку ионов и других растворимых веществ. Белок аквапорин состоит из четырех субъединиц, каждая из которых имеет индивидуальную водную пору. В первичной структуре субъединицы одного из таких белков, аквапорина 1 (AQP1), обнаружены две повторяющиеся последовательности. Одна такая последовательность представляет собой три спиральных участка с короткой петлей, которые пронизывают мембрану и образуют одну половину поры. Две половинки поры ориентированы в мембране на 180° относительно друг друга и, встречаясь в центре бислоя, образуют полноценную пору. Концы цепи аквапорина расположены внутри клетки

За открытие аквапоринов Питер Агре получил в 2003 году Нобелевскую премию по химии (совместно с Родриком Маккинноном, получившим награду за изучение структуры и механизмов работы калиевых каналов).

На сегодня известно 13 типов аквапоринов у животных, которые классифицируют цифрами какAQP0-12, из них 6 обнаруживаются в почках. Функционально аквапоринымогутбытьклассифицированынадваподтипа:которыетранспортируют только воду (AQP1,2,4,5 и 8) и те, которые кроме воды могут проводить и другие субстанции, такие как глицерол или натуральный увлажняющий фактор (прежде всего, мочевину) – этоAQP3, 7, 9 и 10.

Таблица. Представленность некоторых изоформ аквапоринов в клетках организма

Батрахотоксин какПРИЛОЖЕНИЕ«распорка13»

ПРИЛОЖЕНИЕ 14

ПРИЛОЖЕНИЕ 14. ПРОТОННЫЙ НАСОС И ЕГО УЧАСТИЕ В СЕКРЕЦИИ СОЛЯНОЙ КИСЛОТЫ

Протонный насос (Н+/К+-АТФаза) - ионный насос, выполняющий важнейшую роль при секреции соляной кислоты в желудке. Присутствующая в большом количестве в обкладочных (париетальных) клетках слизистой оболочки желудка протонная помпа (Н+/К+-АТФаза) транспортирует ион водорода Н+ из цитоплазмы в полость желудка через апикальную мембрану обкладочных клеток в обмен на ион калия К+, который она переносит внутрь клетки. При этом оба катиона транспортируются против электрохимического градиента, а источником энергии для этого транспорта служит гидролиз молекулы АТФ.

Одновременно с протонами водорода в просвет желудка против электрохимического градиента переносятся анионы хлора Cl-. Входящие в клетку ионы К+ покидают ее по градиенту концентрации вместе с ионами Cl- через апикальную мембрану обкладочных клеток. Ионы Н+ образуются в эквивалентных количествах с НСО3- при диссоциации угольной кислоты Н2СО3 при участии карбоангидразы. Ионы НСО3- пассивно перемещаются в кровь по градиенту концентрации через базолатеральную мембрану в обмен на ион Cl-. Таким образом, в просвет желудка с участием протонной помпы выделяется соляная кислота в виде ионов Н+ и Cl-, а ионы К+ перемещаются через мембрану обратно в обкладочную клетку. Эти процессы обеспечивают образование соляной кислоты желудком.

Секреция кислоты париетальными клетками. А. Гастрин и ацетилхолин (АХ) непо-

средственно стимулируют повышенную секрецию кислоты париетальными клетками, а также стимулируют секрецию гистамина энтерохромаффино-подобными (ECL) клетками. Гистамин затем действует на Н2-рецепторы париетальных клеток.

Б. Н+/К+-АТФаза расположена в везикулах, которые сливаются с мембраной канальца при стимуляции и высвобождают Н+ в просвет; Cl- транспортируется в просвет отдельной системой переноса. Париетальные клетки несут также рецепторы простагландина Е2 (ПГЕ2), стимуляция которых ингибирует секрецию кислоты. АДФ — аденозиндифос-

фат; АТФ — аденозинтрифосфат; АТФаза — аденозинтрифосфатаза; цАМФ — циклический аденозинмонофосфат.

ПРИЛОЖЕНИЕ 15

ПРИЛОЖЕНИЕ 15. ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА С НАДМЕМБРАННЫМИ И ПОДМЕМБРАННЫМИ КОМПОНЕНТАМИ

)

(

)

(

В состав плазматической мембраны (плазмалеммы) входят липиды, составляющие основу мембраны и высокомолекулярные белки. Субмембранная система клетки(подмембранныйкомплекс)представляетсобойспециализированнуюпериферическуючастьцитоплазмыизанимаетпограничноеположениемеждурабочим метаболическимаппаратомклеткииплазматическоймембраной.Всубмембранной системе поверхностного аппарата можно выделить две части: периферическую гиалоплазму, где сосредоточены ферментативные системы, связанные с процессами трансмембранного транспорта и рецепции, и структурно оформленную опорно-со- кратимую систему. Опорно-сократимая система состоит из микрофибрилл, микротрубочек и скелетных фибриллярных структур (на рисунке – актиновые филаменты). Надмембранные структуры клеток эукариот можно разделить на две большие категории.Собственнонадмембранныйкомплекс,илигликокаликс,имееттолщину 10-20 нм. В его состав входят периферические белки мембраны, углеводные части гликолипидов и гликопротеинов. Гликокаликс играет важную роль в рецепторной функции,обеспечивает«индивидуализацию»клетки-вегосоставесосредоточены рецепторы тканевой совместимости. Вторая категория представлена производными надмембранных структур. К ним относятся специфические химические соединения, не производящиеся самой клеткой. Наиболее изучены они на микроворсинках клеток кишечного эпителия. Здесь ими являются гидролитические ферменты, адсорбирующиеся из полости кишки. Их переход из взвешенного в фиксированное состояние создает базу для качественно иного типа пищеварения, так называемого пристеночного пищеварения.

ПРИЛОЖЕНИЕ 16

ПРИЛОЖЕНИЕ 16. ПОДМЕМБРАННЫЕ СТРУКТУРЫ ЭРИТРОЦИТА

Схематическое изображение внутренней стороны мембраны эритроцита с сетью миофиламентных белков, формирующих цитоскелет. Фосфоли-

пиды образуют асимметричную бислойную мембрану, холестерин растворен между хвостами жирных кислот, придавая некоторую жесткость мембране. Трансмембранные гликопротеины – гликофорин А и В – определяют антигенные и рецепторные свойства эритроцитов. Белок 3 – анионтранспортирующий белок, с ним со стороны цитозоля ассоциированы белок 4.2 (паллидин) и гемоглобин.Спектрин,актинитропомиозинформируютцитоскелетнавнутренней стороне мембраны. Спектрин – гетеродимер, имеющий α- и β-цепи. Анкирин связывает белок 3 с цитоскелетом.

ПРИЛОЖЕНИЕ 17

ПРИЛОЖЕНИЕ 17. ФАГОЦИТОЗ, ПИНОЦИТОЗ И РЕЦЕПТОРОПОСРЕДОВАННЫЙ (КЛАТРИН-ОПОСРЕДОВАННЫЙ) ЭНДОЦИТОЗ

А. Сравнительная характеристика различных видов эндоцитоза. 1 - фагоцитоз, 2 - пиноцитоз, 3 -Рецептор-опосредованный (клатрин-опосредованный) эндоци-

тоз. (Модификация: GartnerL.P, HiattJ.M. ColorTextbookofHistology, 3thed., TheMcGrawHillCompanies, 2006, 592 p.).

Б. Клатрин-опосре-

образующиеся при таком эндоцитозе, формируются в месте инвагинаций плазмалеммы, покрытых с цитоплазматической стороны волокнистым материалом — мембранным белком клатрином. Предварительно на мембране образуются окаймленные клатрином ямки, которые могут занимать до 2% по-

верхности некоторых клеток. С помощью окаймленных ямок, в которых располагаются соответствующие рецепторы, интернализуются ряд веществ, например, липопротеины низкой плотности, факторы роста, гормоны и пр. Например, когда животной клетке необходим холестерин для синтеза мембраны, она экспрессирует ЛПНП-рецепторы на плазматической мембране. Богатые холестерином и эфирами холестерина ЛПНП, связавшиеся с ЛПНП-рецепторами, быстро доставляют холестерин в клетку.

ПРИЛОЖЕНИЕ 18

ПРИЛОЖЕНИЕ 18. ВИДЫ МЕЖКЛЕТОЧНЫХ КОНТАКТОВ

Запирающие контакты

Коммуникативные Сцепляющие контакты «клетка- Сцепляющие контакты контакты межклеточное пространство» «клетка-клетка»

ПРИЛОЖЕНИЕ 19

ПРИЛОЖЕНИЕ 19. РЕЦЕПТОРЫ, СОПРЯЖЕННЫЕ С G-БЕЛКОМ

Роберт Лефковиц (Robert Lefkowitz) и Брайан Кобилка (Brian Kobilka) были награждены Нобелевской премией по химии 2012 года «за исследования рецепторов, сопряженныхсG-белком».Рецепторы,сопряженныесG-белком(G-protein-coupled receptors, GPCR), представляют собой большой класс белков клеточной мембраны и обеспечивают коммуникацию клеток организма. Соединения, которые связываются с этими рецепторами и активируют их, включают гормоны, нейромедиаторы, феромоны, светочувствительные молекулы и другие факторы регуляции важнейших физиологических процессов. Нарушение работы рецепторов, сопряженных с G-белком, приводит к возникновению множества заболеваний, сами рецепторы являются мишенью до 40 процентов выпускаемых лекарств.

ПРИЛОЖЕНИЕ 20

ПРИЛОЖЕНИЕ 20. ГЕТЕРОТРИМЕРНЫЕ G-БЕЛКИ

Гетеротримерные G-белки служат посредниками между рецепторами плазматической мембраны для более 100 внеклеточных регуляторных веществ и внутриклеточными процессами, которые они контролируют. Гетеротримерный G-белок со-

стоитизтрехсубъединиц:α(40000-45000Да),β(около37000Да)иγ(8000-10000

Да).ФункцияиспецифичностьG-белкаобычноопределяютсяегоα-субъединицей. У большинства G-белков субъединицы β и γ плотно связаны между собой.

Механизм работы гетеротримерных (ГТ) G-белков. А. Неактивные G-белки суще-

ствуют главным образом в форме αβγ-ГТ, с ГДФ, связывающих нуклеотид. Б. Взаимодействие ГТ G-белков с присоединившим лиганд рецептором ведет к преобразованию α-субъединицы в активную форму, которая имеет повышенное сродством к ГТФ и пониженную к βγ-комплексу. В. В результате активированная α-субъединица освобождает ГДФ, присоединяет ГТФ, а затем диссоциирует от βγ-димера. Г. У большинства G-белков диссоциированная α-субъединица сразу взаимодействует с эффекторными белками (Е1). Д. βγ-димер взаимодействует с эффекторным белком Е2. Е. Члены RGS семьи G-белка стимулируют гидролиз ГТФ, это инактивирует α-субъединицу и объединяет все субъединицы в αβγ-ГТ.

ПРИЛОЖЕНИЕ 20

ПРИЛОЖЕНИЕ 21

ПРИЛОЖЕНИЕ 21. ПУТИ СИГНАЛЬНОЙ ТРАНСДУКЦИИ ЧЕРЕЗ ГЕТЕРОТРИМЕРНЫЕ G-БЕЛКИ

Нарис.изображенытрилиганда(норадреалин,глутамат,дофамин),ихрецепторы, связанные с разными G-белками (Gs, Gq, и Gi), и их молекулярные мишени.

Связывание нейротрансмиттера с рецептором ведет к активации G-белка и последующему включению путей вторичных мессенджеров. Gs, Gq, и Gi подразумевают три различных типа гетеротримерных G-белков. Регуляция клеточных белков фосфорилированием ведет к усилению или угнетению их активности, а это, в свою очередь, определяет необходимую организму клеточную реакцию. Фосфорилирование белков осуществляют протеинкиназы, а дефосфорилирование - протеинфосфатазы. Протеинкиназа переносит фосфатную группу (Pi) от АТФ на сериновые, треониновые или тирозиновые остатки белков. Это фосфорилирование обратимо меняет структуру и функции клеточных белков.

ПРИЛОЖЕНИЕ 22

ПРИЛОЖЕНИЕ 22. МОНОМЕРНЫЕ G-БЕЛКИ

Мономерные G-белки - семейство ГТФ-связывающих белков, также известны как G-белки с низкой молекулярной массой, или малые G-белки (молекулярная масса 20 000-35 000 Да).

Ras-подобные мономерные ГТФ-связывающие белки участвуют в пути сигнальной трансдукции для передачи сигнала от рецепторов с собственной тирозин-про- теинкиназной активностью (например, рецепторов фактора роста) на внутриклеточные эффекторы.

Таблица. Подсемейства мономерных ГТФ-связывающих белков и регулируемые ими внутриклеточные процессы.