воскресенье, 18 декабря 2016 г.

1.5. Регуляция динамических свойств мембран

Урок: 1.5. Регуляция динамических свойств мембран

Транскрибация урока: [МУЗЫКА] [МУЗЫКА] Самые разные изменения в клеточном окружении хоть одноклеточных, хоть многоклеточных организмов могут привести к изменениям в структуре мембран: это и температура окружающей среды, и ионный состав, обмен веществ, режим питания и так далее. И все эти изменения вызывают нарушения нормального функционирования клеток. Поэтому изучение структуры мембраны и ее регуляция всегда привлекало к себе внимание исследователей. Клеточная мембрана — это двойной слой липидов, в которые погружены белки. Иногда они связаны с олигосахаридами. Самое главное, что клеточная мембрана представляет гидрофобный барьер на пути веществ из клетки в окружающую среду и наоборот. При нормальной для клеток температуре и осмотическом давлении мембрана текуча, потому что липидный этот слой подвижен, и в пределах своего слоя липиды двигаются достаточно неупорядоченно. При понижении температуры окружающей среды молекулы липидов приближаются друг к другу, остатки жирных кислот в их составе становятся менее подвижными, текучесть мембраны уменьшается, а вязкость растет. При сильном понижении температуры значительная часть липидов потеряет свою подвижность, перейдет в состояние геля. Это приведет к снижению подвижности белков и неспособности их изменять свою конформацию. Белки потеряют свою функцию практически полностью, а это приведет к гибели клетки. Для клеточной мембраны важна не только температура, но и осмотическое давление, то есть та сила, которую нужно бы приложить, чтобы прекратить проникновение через мембрану молекул воды. Резкое изменение концентрации растворенных веществ в окружающей среде приводит к развитию осмотического стресса или шока. Если снаружи концентрация веществ сильно увеличена, то развивается гиперосмотический стресс: клетки начинают терять воду, при этом снижается текучесть мембран с последствиями, которые аналогичны ситуации с понижением температуры. При гипоосмотическом шоке начинается, наоборот, усиленное поступление воды в клетку, мембраны ее растягиваются, подвижность и радиус вращения фосфолипидов возрастает, растет текучесть мембран, вязкость падает, и это продолжается вплоть до полного разрушения мембранных структур. То есть изменения аналогичны повышению температуры. Поэтому главная задача любой клетки в изменяющихся условиях среды — поддерживать свои мембраны на определенном уровне текучести, обеспечивая физиологическую активность клеток. Одними из наиболее интересных вопросов современной биологии являются как раз поиск и определение сенсорных механизмов восприятия физических воздействий на мембраны. Разные физические или химические факторы, среди которых наиболее важны вот как раз температура и осмотическое давление, изменяют текучесть мембран, а вслед за ней активность мембранных белков, ну в том числе воспринимающих и передающих внешние сигналы. При изменении текучести мембраны происходит активация мембранных белков-переносчиков и активация их генов, отвечающих за адаптацию. В норме эти гены молчащие. Для регулировки динамического состояния мембран очень важны белки протеинкиназы — это ферменты, которые присоединяют остаток фосфорной кислоты к другим белкам, регулируя их активность. Протеинкиназы классифицируются по фосфорилируемому аминокислотному остатку, и вот в частности есть группа белков — гистидинкиназы, они функционируют как осмосенсоры, то есть воспринимают изменения осмотической концентрации, фосфорилируют остатки гистидина в других молекулах, но в том числе и в составе собственной молекулы, и играют очень важную роль в хемотаксисе и осморегуляции у бактерий, грибов и даже в регуляторных системах растений. Вот когда гистидинкиназа получает сигнал, то она фосфорилирует сначала определенный остаток гистидина в своей собственной молекуле, потом эту фосфатную группу передает на регуляторный белок, что приводит к его активации, а уже этот белок запускает транскрипцию гена, который кодирует белок-переносчик для ионов калия. Усиление синтеза этих белков приводит к ускоренному транспорту ионов калия в клетку и, соответственно, удержанию воды внутри клетки вместе с ионами калия. Если у клетки гиперосмотический стресс, то увеличение содержания ионов калия внутри клетки через активацию гистидинкиназы — это очень полезная вещь, но, кроме того, происходит транспорт в клетку различных осмопротекторов — веществ, которые удерживают воду, такие как глицерин, пролин или бетаин. Вот переносчики бетаина, допустим, это трансмембранные белки, для которых предполагается совмещение функций и осмосенсора и осморегуляции, потому что их активность, в общем-то, зависит от текучести цитоплазматической мембраны. Двухкомпонентная система — киназа плюс регуляторный белок — это обычная регуляторная система для бактерий, ну в частности для цианобактерий. Она включается не только в реакциях на гиперосмотический стресс, но и при реакциях на изменение температуры. Сенсорами являются трансмембранные гистидинкиназы, а эффекторами — разнообразные регуляторные белки. Схема получается достаточно аналогичная. Снижение температуры, активация гистидинкиназы, вот только эффекторные белки будут немножко другие. Начинается усиленный синтез десатураз — это ферменты, которые образуют ненасыщенные связи между атомами углерода в молекулах жирных кислот. Образование двойных связей в этих углеводородных цепях приводит к увеличению их подвижности, а, значит, и к повышению текучести мембран. Если температура повышается, то степень десатурации липидов снижается, активируется синтез белков теплового шока, и эти белки соединяются с липидами и предотвращают их растекание. А вот молекулярные механизмы восприятия гипоосмотического стресса изучены пока еще недостаточно. При гипоосмотическом стрессе изменение объема клетки и увеличение натяжения мембраны может изменять активность некоторых трансмембранных каналов. И вот такие каналы, чувствительные к растяжению, лучше всего изучены у кишечной палочки. Они делятся на три основных типа и действуют, пожалуй, как экстренные клапаны, чтобы изгонять воду, которой слишком много на данный момент в клетке, и такая их быстрая реакция предупреждает лизис клеток. Наиболее изученным является механосенсорный канал большой проводимости. Он осуществляет неселективный транспорт растворов из клеток, представляет из себя комплекс из шести субъединиц. Каждая из субъединиц имеет два трансмембранных сегмента, которые удерживают ее в слое липидов, и он открывается при увеличении натяжения мембраны вокруг канала. Субъединицы немножечко расходятся, диаметр поры может увеличиться от 1 ангстрема до 13. У многоклеточных организмов осмотическая концентрация растворов внутренней среды поддерживается на строго заданном уровне, а регулируется поступлением или потерей воды и ионов натрия. С осморецепторов начинаются многочисленные реакции, которые регулируют работу выделительной системы и питьевое поведение, но молекулярные механизмы осморецепции многоклеточных изучены тоже недостаточно. Вот известно, что у млекопитающих их роль выполняют крупные нейроны определенных ядер гипоталамуса в центральной нервной системе, которые набухают при снижении осмолярности раствора и съеживаются, если осмолярность растет. Увеличение осмолярности приводит к деполяризации этих нейронов, а снижение осмолярности внутренней среды, наоборот, к гиперполяризации мембраны нейронов, ну и, соответственно, их торможению. Вполне вероятно, что эти реакции обеспечиваются механочувствительными каналами для положительных ионов. Вот и показано же, что у дрозофилы за работу рецепторов, которые определяют водный вкус, отвечают каналы для ионов натрия, чувствительные к гипоосмолярным растворам. А другие вероятные кандидаты на роль осморецепторов у млекопитающих — это каналы для ионов калия и кальция. Механочуствительные ионные каналы, отвечающие за набухание или сморщивание клеток, это очень своеобразная и пока еще недостаточно изученная группа белков. В несколько лучшем положении находятся другие механочувствительные каналы у многоклеточных животных, но о них речь пойдет уже в следующей части нашего курса.

Часть: 1.5. Регуляция динамических свойств мембран

Модуль: Молекулярные основы сенсорных систем

Описание модуля:  В первой части мы с вами познакомимся с молекулярными основами сенсорных систем. Структуры, воспринимающие сигналы из окружающей среды – рецепторы – могут оказаться и целыми клетками, и отдельными молекулами. Вы узнаете, какие существуют варианты рецепторов и что служит для них адекватным стимулом, что такое рецептивное поле и зачем нужна конвергенция. Мы разберем, как устроена мембрана клеток, на которой начинается обработка сигнала; как появляется нервный импульс и как он передается; как специализирована кора головного мозга, обрабатывающая полученную информацию.

Курс: Биосенсоры

Описание курса: Чем больше информации об окружающей среде получает организм, тем выше его шансы на выживание. Все живое так или иначе реагирует на изменения вокруг себя. Улавливать эти изменения и сигнализировать о них центральной нервной системе – задача сенсоров клеточных мембран, чувствительных к той или иной форме энергии.

На этом курсе вы узнаете об устройстве различных сенсорных систем на молекулярном уровне и познакомитесь с некоторыми деталями работы нервной системы. Мы выясним, как реагирует простейшая сенсорная система на уровне одноклеточных организмов, как они определяют погодные условия вокруг себя и какие глаза бывают у одноклеточных.

Вместе с эволюцией организма происходит эволюция его сенсоров. Поэтому в ходе курса вам придется столкнуться с самыми разнообразными сенсорными системами многоклеточных животных: механо- и термочувствительной, хемо- и фоточувствительной, а также узнать о редких и недоступных людям способах ощущения мира – электро- и магниторецепции.

Программа:

Неделя 1

Молекулярные основы сенсорных систем

В первой части мы с вами познакомимся с молекулярными основами сенсорных систем. Структуры, воспринимающие сигналы из окружающей среды – рецепторы – могут оказаться и целыми клетками, и отдельными молекулами. Вы узнаете, какие существуют варианты рецепторов и что служит для них адекватным стимулом, что такое рецептивное поле и зачем нужна конвергенция. Мы разберем, как устроена мембрана клеток, на которой начинается обработка сигнала; как появляется нервный импульс и как он передается; как специализирована кора головного мозга, обрабатывающая полученную информацию.

Видео: Промо-ролик курса
Видео: Приветствие слушателям курса
Видео: 1.1. Общие черты строения сенсорных систем
Видео: 1.2. Строение мембраны
Видео: 1.3. Рецепторные белки
Видео: 1.4. Мембранный потенциал и нервный импульс
Видео: 1.5. Регуляция динамических свойств мембран

Неделя 2

В этом модуле мы знакомимся с особенностями восприятия механических стимулов. Молекулярные основы механорецепции – далеко не полностью изученная область, но мембранные каналы, изменяющие свою пропускную способность в ответ на растяжение или давление, функционируют в самых разных клетках, обеспечивая организмам разнообразные способы ориентации. Первый раздел – о механорецепторах позвоночных и беспозвоночных, позволяющих ощущать прикосновения, оценивать свойства поверхности и положение частей тела в пространстве.

Видео: 2.1. Механорецепторы мембраны
Видео: 2.2. Ракообразные, насекомые, паукообразные
Видео: 2.3. Осязание позвоночных
Видео: 2.4. Кинестезия у млекопитающих
Видео: 2.5. Анализ тактильной информации у млекопитающих

Неделя 3

Механочувствительность. Часть 2

Механочувствительность обеспечивает восприятие весьма разнообразных характеристик внешнего мира. В этом модуле мы рассмотрим развитие внутреннего уха у позвоночных. Этот орган обеспечивает и чувство равновесия, и слух, и способность к эхолокации – и все это базируется на работе механорецепторов.

Видео: 3.1. Внутреннее ухо: слух
Видео: 3.2. Внутреннее ухо: равновесие
Видео: 3.3. Эволюция уха
Видео: 3.4. Эхолокация

Неделя 4

Хемочувствительность

В этой части курса речь пойдет о хеморецепции – способности клеток и организмов воспринимать химические стимулы из окружающей среды и реагировать на них. Взаимодействие рецептора и лиганда обеспечивает направленное движение одноклеточных организмов, служит основой обоняния и вкуса и позволяет многоклеточным организмам регулировать параметры внутренней среды. Мы узнаем, что такое метилируемые белки хемотаксиса, как работают чувствительные щетинки членистоногих, отвечающие за восприятие запаха и вкуса, чем отличаются вкусовые почки и рецепторные клетки обонятельного эпителия позвоночных, а также о том, как осуществляется восприятие разных типов вкусовых веществ и почему незначительные изменения в структуре молекул могут принципиально изменить их запах.

Видео: 4.1. Прокариоты
Видео: 4.2. Хеморецепция многоклеточных: общие сведения
Видео: 4.3. Обоняние и вкус у насекомых
Видео: 4.4. Вкус у позвоночных
Видео: 4.5. Обоняние у позвоночных

Неделя 5

Фоточувствительность. Часть 1

В этом модуле мы рассмотрим фоторецепцию – восприятие солнечного света. Возможность чувствовать солнечный свет обеспечивают молекулы с сопряженными двойными связями, а от особенностей строения рецепторной молекулы зависит воспринимаемая клетками – и организмами – широта светового спектра. В первом разделе мы познакомимся с особенностями строения разнообразных глазков одноклеточных организмов, с устройством простых и сложных (фасеточных) глаз беспозвоночных; рассмотрим организацию камерного глаза головоногих.

Видео: Обращение к слушателям
Видео: 5.1. Светочувствительность: общие сведения
Видео: 5.2. Глазки одноклеточных
Видео: 5.3. Сложноустроенные "простые глаза"
Видео: 5.4. А как у моллюсков?
Видео: 5.5. Сложные глаза беспозвоночных

Неделя 6

Фоточувствительность. Часть 2

Этот раздел познакомит нас с устройством глаз позвоночных животных и с особенностями работы их сетчатки. Разные животные воспринимают разные области солнечного спектра, и это приносит им огромную пользу, хотя далеко не все животные видят мир таким многоцветным, как люди.

Видео: 6.1. Глаза позвоночных животных
Видео: 6.2. Функционирование сетчатки
Видео: 6.3. Что за сетчаткой?
Видео: 6.4. Варианты зрения позвоночных

Неделя 7

Редкие чувства

В этой части речь пойдет о самых редких, удивительных и даже невообразимых чувствах. Мы познакомимся с особенностями теменного глаза, который работает и как воспринимающая свет структура, и как эндокринная железа. Относительно простая и обычная термочувствительность тесно связана с инфракрасной чувствительностью, которой обладают насекомые и змеи. Мы познакомимся с электрорецепцией, возможность появления которой обеспечила боковая линия рыб, и с магниторецепцией, четко проявляющейся у некоторых бактерий и вызывающей много вопросов применительно к птицам. Кроме того, мы узнаем кто может видеть мир в поляризованном свете, какие особенности строения глаз дарят такую возможность, и какая от этого может быть польза.

Видео: 7.1. Третий глаз – кому он нужен?
Видео: 7.2. Термочувствительность
Видео: 7.3. Инфракрасная чувствительность
Видео: 7.4. Электрорецепция
Видео: 7.5. Магниторецепция
Видео: 7.6. Мир в поляризованном свете

Описание преподавателя: Анна Юшкова, Кандидат биологических наук, доцент, Кафедра естественнонаучных дисциплин ВКИ НГУ
Категория: Медико-биологические науки

Описание категории: Специализации и курсы по медико-биологическим наукам посвящены свойствам организмов и живых экосистем; сюда относится биология, диетология, зоология и медицина. Курсы в данной области улучшат ваше понимание растительной и животной жизни и умение анализировать способы взаимодействия и реагирования на изменения комплексных систем.

Тематика: Биология

Материал:



Ресурсы http://r.ournet.biz/2gSmbFA