видио_лекции_мембрана_биофизика

Биофизика клетки
мембрана
Клетки
Потенциал действия мембраны
при растяжении кардиомиоцита
А – ПД при растяжении изолированного
кардиомиоцита сердца. Запись получена
методом patch-clamp в конфигурации wholecell. Стрелка маркирует моменты увеличения
растяжения клетки (на 6 μm и 8 μm) или
моменты возвращения к исходному
растяжению. Em - потенциал покоя.
Б – растяжение и деполяризация мембраны
изолированного кардиомиоцита и удлинение
потенциала действия . Показано изменение
величины потенциала покоя и формы ПД
(красная кривая).
B – кардиомиоцит , растянутый на 8 μm.
Продемонстрировано изменение величины
потенциала покоя, формы ПД и
возникновение экстра-ПД (красная кривая).
Г, Д - динамика преобразования
деполяризации в ПД при различных
степенях (1-5) растяжения препарата. Ec критический уровень деполяризации.
Атлас по физиологии. В двух томах. Том 1: учеб. пособие
/ А. Г. Камкин, И. С. Киселева - 2010. - 408 с. : ил
Оптогенетика
а) Схема канала,связанного с
хромофором 13-транс-ретиналь ,
который подвергается изомеризации при
облучении синим светом и тепловой
релаксации, что регулирует активностть
канала
б) Облучение светом активирует канал
и вызывает деполяризацию мембраны
клетки
в) Обратите внимание на волоконнооптического кабеля, который
обеспечивает свет вглубь мозга
Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 12156 – 12182 2011 WileyVCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
МЕТОДЫ. Метрологический комплекс
Совмещение методов
атомно-силовой микроскопии,
фазово-динамической и флуоресцентной томографии.
кантилевер
образец
система
обратной связи
Атомно-силовая микроскопия
для оценки геометрических размеров
объектов в диапазоне 1-50000 нм
объектив
Диапазон сканирования: 100х100х6 мкм
Погрешность измерения: 1,0% по длине ширине и высоте
Эритроцит с ядром.
AFM image of erythrocytes with the nucleus.
Рельеф поверхности эритроцитов при
изменении осмолярности
Флуоресцентная томография
источник света
(лазер)
образец
возбуждающий
фильтр
объектив
конфокальная
апертура
объектив
свет
возбуждения
конфокальная
апертура
запирающий
фильтр
регистратор
фокальные
плоскости
С помощью данного канала можно
оценивать латеральные размеры клеток,
а также оценивать изменение
интенсивности флуоресценции в
различных участках клеток и их органелл
With this channel, you can evaluate the lateral
sizes of cells, and to evaluate changes in the
fluorescence intensity in different parts of cells
and their organelles
Диапазон сканирования: 50х50х50 мкм
Scan range: 50x50x50 mkm
Изображение эритроцитов (режим комбинационного
рассеяния).
Распределение гемоглобина в эритроцитах
поперечное сечение
продольное сечение
Флуоресцентная томография
(режим комбинационного рассеяния)
Интенсивность КР, усл. ед.
Типичный КР спектр
каротиноидов нейрона
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
900
1100
1300
1500
Частотный сдвиг, см
-1
Основан на эффекте комбинационного рассеяния.
Позволяет оценить состояние связей молекул веществ. Активно применяется в
нанотехнологии.
Диапазон сканирования: 50х50х50 мкм
Изображение эритроцита с ядром (режим
комбинационного рассеяния)
КР-изображение эритроцита лягушки. По
оси z интенсивность комбинационного
рассеяния гемоглобина в области 15601640 см-1
Локальный КР спектр от эритроцита
лягушки (белая точка). Спектр
соответствует гемопорфирину
молекулы гемоглобина
Фазово-динамическая
томография
Метод позволяет повысить контраст и разрешение и
количественно оценить изменения показателя преломления и
толщины биологических объектов
.
Нейрон.
Тест-объект для использования фазово-динамической томографии
Изображение наночастиц серебра
адсорбированных на поверхности
эритроцитов.
Световое изображение
Фазовое изображение
БИОЛОГИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА
•
•
•
•
•
•
•
Функции плазматической
мембраны
1. эндоцитоз/экзоцитоз
2.клеточная адгезия: миелин;
аксон-Шванновская клетка
3. межклеточные взаимодействии
4. синтез АТФ
7. Ионный канал и ПД
8. движение бактерий
•
1. Липиды:
фосфолипиды;
гликолипиды (50% );
холестерин; триглицерол; стероиды;
свободные жирные кислоты;
•
2. Белки:
интегральные;
периферические;
белки связанные с цитоскелетом;
белки с вязанные с гликокаликсом;
Фосфатидилхолин – типичный
фосфолипид
Липиды
1 – фосфатидилэтаноламин;2 – фосфатидилсерин; 3 – фосфатидилинозитол; 4 –
фосфатидилхолин (лецитин);5 – кардиолипин; 6 – сфингомиелин; 7 – цереброзид; 8 –
холестерин; 9 – упаковкамолекулы холестерина между двумя молекулами фосфолипидов
Формирование фосфолипидных везикул в воде:
1 – молекулы фосфолипидов; 2 – их лизоформы;
3 – бислойная мембрана; 4 – липосома;
5 – пора в бислойной мембране; 6 – мицелла
Молекулы фосфатидилсерина и холестерола в
мембране
Темно-серым цветом обозначены полярные участки молекул
Исследование состояния миелина методом
флуоресцентной зондовой микроскопии
Флуоресцентное изображение
участка нервного волокна
1 – область миелина
2 – область перехвата Ранвье
2
1
го волокна
ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ
Диаграмма уровней энергии молекулы:
S – синглетный уровень;
T – триплетный уровень; a – абсорбция; f – флуоресценция; P – фосфоресценция; n – безызлучательные
переходы; K – интеркомбинационная конверсия; e – электрон
Электронный парамагнитный резонанс
а – схема энергетическогосдвига уровней в магнитном поле;
б – схема изменения спектров ЭПР в результате снижения уменьшения вязкости
(увеличении подвижности молекул)
Различия спектров ЭПР в зависимости от
локализации спиновой метки в фосфолипидной
молекуле
Механические свойства мембраны
• А. подвижность молекул в мембране
• - вращение вокруг своей оси ( липид 10-8 с ;
белок 10-6 – 10 -4 с)
• - латеральная диффузия:
• e2 = 4 D t
• e2 – среднеквадратичное расстояние;
• D липида 10 -8 – 10-7 см 2/ с ; D белка 10-12 - 10 –
10 см2/ с;
• - трансмембранное движение («флипфлоп» переход) – 30-60 мин.
• R-1 = 2 x 3 ½ D/A
•
•
R-1 - частота обмена молекул
А - площадь молекулы ( м2)
Типы движений фосфолипидных молекул в
липидном бислое
Двойные связи в ненасыщенных углеводородных цепях увеличивают
текучесть липидного бислоя, затрудняя совместную упаковку
гидрофобных хвостов
Перемещение спин-меченых фосфолипидов
(черные кружки) на наружную поверхность за счет
механизма «флип-флоп»
Асимметрия в распределении фосфолипидов и
гликолипидов в липидном бислое мембраны
эритроцита
Полярные головки гликолипидов изображены в виде шестиугольников.
Холестерол (не показан), по-видимому, распределяется между
монослоями примерно одинаково. (6-10)
1. поддержание формы клетки
2. поддержание белков в
ориентации способствующей их
оптимальной активности
3. распознавание агентов
4. вязкость
5. выведение ( освобождение) от
старых клеток
Схема расположения молекул:
а – в аморфной фазе;
б – в нематическом жидкокристаллическом состоянии;
в – в смектическом жидкокристаллическом состоянии;
г – в холестерическом жидкокристаллическом состоянии
Фазовый переход
– это переход липидов мембраны из кристаллического в
жидкокристаллическое состояние
Фазовый переход – уменьшает длину жирной кислоты ( на 0,13 нм), отодвигает ее ( на 0,15
нм) и увеличивает свободный объем липида (на 0,05 нм 3), образуя «кинк»;
Dk = 0,5 v ( d L) 2
Dk – коэффициент диффузии «кинка»; v - частота перескока «кинка»
dL - шаг скачка «кинка»; при v = 1010 с-1 D= 10 -5 см2 / с ( аналогично коэффициенту
проницаемости мембраны для О2 и Н2О
Кристаллическое состояние
изменением температуры
изменением рН
изменение электрического потенциала
изменение рСа
Жидкокристаллическое
состояние
Силы, формирующие мембрану
- поверхностные явления и межмолекулярные взаимодействия
•
А. поверхностные явления ( адсорбция Гибса):
•
•
•
•
Р – поверхностное натяжение, (н/м)
Гi – степень адсорбции на поверхности
m – химический потенциал
Поверхностное натяжение (весы Ленгмюра)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
-dp = S Гidmi
Р= А0- А/ в
А- площадь молекулы в монослое
А0 – минимальная площадь молекулы
В – коэффициент эластичности монослоя
А0 для лецитина = 0.6-0.8 нм 2
Б. межмолекулярные взаимодействия:
1. электростатические взаимодействия
2. белок-липидные взаимодействия
Типы электростатических взаимодействий
-латеральные – в монослое мембраны
-транслатеральные - в разных монослоях мембраны
-межмембранные - разные монослои разных
мембран
Жирные кислоты фосфолипидов
Силы, формирующие мембрану
- поверхностные явления и межмолекулярные взаимодействия
•
А. поверхностные явления ( адсорбция Гибса):
•
•
•
•
Р – поверхностное натяжение, (н/м)
Гi – степень адсорбции на поверхности
m – химический потенциал
Поверхностное натяжение (весы Ленгмюра)
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
-dp = S Гidmi
Р= А0- А/ в
А- площадь молекулы в монослое
А0 – минимальная площадь молекулы
В – коэффициент эластичности монослоя
А0 для лецитина = 0.6-0.8 нм 2
Б. межмолекулярные взаимодействия:
1. электростатические взаимодействия
2. белок-липидные взаимодействия
Типы электростатических взаимодействий
-латеральные – в монослое мембраны
-транслатеральные - в разных монослоях мембраны
-межмембранные - разные монослои разных
мембран
Ассоциация мембранных белков с липидным бислоем.
Трансмембранные белки пронизывают бислой в виде :
одиночной α-спирали (1) или нескольких α-спиралей (2). Некоторые белки (1 и 3) присоединяют
ковалентно цепь жирной кислоты, погруженную в монослой с цитоплазматической стороны (1). Другие
белки ассоциируют с бислоем только за счет ковалентно присоединенного к ним липида – либо жирной
кислоты, погруженной в монослой (3), либо через фосфолипид фосфатидилинозитол, погруженный во
внешний монослой и соединенный с белком через олигосахарид (4). Многие белки ассоциируют с
мембраной только благодаря нековалентным взаимодействиям с другими мембранными белками (5).
Рельеф поверхности эритроцитов при
изменении осмолярности среды