Регуляция динамических свойств мембран в ответ на изменение осмотического давления и температуры окружающей среды.

Регуляция динамических свойств мембран в ответ на изменение осмотического давления и температуры окружающей среды.

Осмотический сенсор.

Температурный сенсор.

Самые разные изменения в окружающей среде, в режиме питания, возрастные изменения метаболизма, опухолевые заболевания, инфекции приводят к изменениям в структуре мембран, которые, в свою очередь, вызывают нарушения нормального функционирования клеток. Поэтому изучение структуры мембран привлекает к себе внимание исследователей.

Мембраны обладают свойством текучести, которая, изменяясь под действием различных физических и химических воздействий, обеспечивает адаптивные перестройки в мембране и изменение активности мембраносвязанных белков, воспринимающих и передающих внешние сигналы. К числу таких молекул относятся рецепторные протеинкиназы и другие сенсоры, ионные каналы, белки-переносчики различных молекул.

Изменение функционального состояния сенсорных белков влияет на экспрессию генов, отвечающих за адаптацию клеток к стрессовым условиям.

Регуляция динамических свойств мембран в ответ на изменение осмотического давления и температуры окружающей среды.

Молекулы липидов в мембране образуют двойной слой в котором гидрофобные концы жирных кислот (ЖК) обращены друг к другу, а гидрофильные головки образуют заряженный слой на поверхности мембран (рис. 1).

При нормальной температуре и нормальном осмотическом давлении (оптимальной концентрации веществ в окружающей среде) мембрана представляет собой жидко-кристаллическую структуру, обладающую определенной степенью текучести. Термин "текучесть" (противоположный "вязкости") используется для описания степени неупорядоченности и физической подвижности внутри липидного бислоя мембран. Текучесть мембран может быть оценена некоторыми физическими методами, основанными главным образом на измерении флуоресценции маркерных молекул, способных проникать в мембраны на различную глубину и, таким образом, характеризующих состояние мембраны на разных уровнях углубления.

Текучесть биологических мембран играет важную роль в восприятии сигналов об изменении температуры окружающей среды или ее осмотических свойств.

Если температура снижается либо клетки попадают в среду с повышенной концентрацией осмотически активных веществ (гиперосмотический шок), молекулы ЖК приближаются друг к другу (см. рис. 1). По сути это означает сжатие мембраны, то есть уменьшение ее текучести или увеличение вязкости. При определенных условиях может наступить критический момент, когда большая часть липидов потеряет свою подвижность настолько, что произойдет так называемый фазовый переход из жидко-кристаллического состояния в состояние геля (см. рис. 1). Если клетка не способна адаптировать свои мембраны и поддерживать их на определенном уровне текучести, то фазовый переход означает смерть клетки. Главными причинами смертельного исхода являются уменьшение подвижности белков в липидном бислое, их неспособность к изменению конформации и как следствие – полная потеря своих функций (перенос электронов и веществ, синтез АТФ, транспорт ионов).

При отклонении температуры от нормальной в сторону ее повышения либо при гипоосмотическом шоке, возникающем при сильном разбавлении внешнего раствора, мембраны растягиваются, то есть возрастает подвижность липидных молекул в бислое и текучесть мембран увеличивается (см. рис. 1). Этот процесс может привести к разделению липидной фазы и полному разрушению мембранных структур.

Рис. 1. А: изменение структуры и свойств мембран при изменении температуры окружающей среды и осмотического давления.

А₁ – в норме мембрана находится в жидкокристаллической фазе. При снижении температуры в мембране могут возникать зоны разделения фаз и в конечном счете мембрана может перейти в фазу геля; А₂, А₃ – сближение полярных головок липидов также наблюдается при гиперосмотическом стрессе, когда происходят уменьшение объема клеток и сжатие мембран; А₄ – при повышении температуры может произойти полная или частичная дезинтеграция мембран с их хаотичным слиянием и образованием инвертированных фаз внутри;

Б: схематическое изображение молекулярной геометрии липидов мембран при изменении температуры:

при снижении температуры молекулы жирных кислот сближаются и их подвижность и радиус свободного вращения уменьшаются; при повышении температуры происходит обратный процесс – подвижность и радиус вращения молекул жирных кислот возрастают.

Обычно клетки обладают защитными системами для контроля над состоянием своих мембран и в момент изменения условий среды активируют эти системы, чтобы сохранить состояние мембран на уровне, обеспечивающем физиологическую активность клеток.

Так, при снижении температуры активируется синтез десатураз жирных кислот, которые отвечают за образование двойных связей (десатурацию). Десатурация вызывает увеличение подвижности жирнокислотных хвостов в липидах и вследствие этого повышение текучести мембран.

При повышении температуры, что ведет к увеличению подвижности липидов в мембране и может привести к разрушению липидногобислоя, степень десатурации липидов в клетке снижается, клетки стремятся уплотнить свои мембраны, растекающиеся под действием высоких температур. Кроме того, при повышении температуры активируется синтез так называемых белков теплового шока, часть из которых связывается с липидами и также предотвращает их растекание.

При осмотических стрессах клетки пытаются либо избавиться от избыточного количества воды в цитоплазме, либо синтезировать вещества-протекторы (глицерин, пролин, глицин-бетаин), которые позволяют им регулировать свой объем.

Так или иначе, запуск адаптивных систем, защищающих клетки от стрессовых воздействий, связан с восприятием сигналов о том, что снаружи что-то произошло. Одними из наиболее интересных вопросов современной биологии являются поиск и определение механизмов восприятия сигналов клетками. Очевидно, что сенсорные системы в описанных выше случаях так или иначе связаны с мембранами, поскольку именно физическое воздействие на мембраны приводит к запуску стрессовых ответов.

Дата добавления: 2015-07-08