Наноструктуры живой природы – прообраз для построения искусственных наноструктур
advertisement
Наноструктуры в биологии, медицине и БТ Каплун А.П., д.х.н. проф. каф. биотехнологии, МИТХТ МИТХТ им. М.В.Ломоносова Наноструктуры живой природы – прообраз для построения искусственных наноструктур МИТХТ Почему инструменты для исследования биологических машин должны быть маленькими? •Размеры клеток 1-20 мкм; •внутриклеточные «машины» имеют размер менее 1 мкм МИТХТ Типичные животная и растительная клетки Плазматическая мембрана Митохондрия Лизосома Ядро Гладкий эндоплазмат. ретикулум Шероховатый эндоплазматич. ретикулум 9. Аппарат Гольджи 10.Секреторные везикулы 11.Периксосомы 12.Элементы цитоскелета 13.Микроворсинки 14.Клеточная стенка 15.Вакуоли 16.Хлоропласты 1. 2. 3. 4. 7. 8. МИТХТ Три функции наноструктур в молекулярной биологии и БТ: •Средство доставки лекарственных и диагностических веществ; •Средство манипуляции с микроскопическими и наноскопическими биологическими объектами •Конструирование искусственных органелл МИТХТ Транспортные системы (эритроциты, хиломикроны и липопротеиды плазмы крови, транспортные везикулы внутри клетки, вирусы, белкипереносчики) МИТХТ Природные переносчики: Эритроциты переносят кислород Модели: •нагруженные эритроциты •липосомы 7 мкм МИТХТ Природные переносчики: Хиломикроны, Липопротеины плазмы крови переносят жиры и холестерин 22 нм Модели: •жировые эмульсии •твердые липидные наночастицы МИТХТ Природные переносчики: транспортные везикулы осуществляют транспорт между компартментами клетки МИТХТ Направленный транспорт веществ внутри клетки МИТХТ Синаптические пузырьки в аксоне около района высвобождения нейромедиатора From J. E. Heuser and T. Reese, 1977, in E. R. Kandel, ed., The Nervous System, vol. 1, Handbook of Physiology, Williams & Wilkins, p. 266 МИТХТ Природные переносчики: вирусы переносят ДНК (РНК) Парвавирус Полиовирус Вирус гепатита В SV40 Реовирус Вирус гриппа ВИЧ МИТХТ Некоторые вирусы Т4 бактериофаг Аденовирус Вирус табачной мозаики МИТХТ Природные переносчики: ВИЧ Присоединение к клеточному рецептору Белок слияния Нуклеиновая кислота Модели: конструкции на основе липосом МИТХТ Транспорт в ядро содержимого вирусов МИТХТ «Строительные леса» и системы для направленного перемещения МИТХТ Основные элементы цитоскелета эукариотических клеток Актиновые микрофиламенты из глобулярного белка актина Промежуточные филаменты из фибряллярных белков Тубулиновые микротрубочки из глобулярного белка тубулина МИТХТ Сравнительные размеры актиновых филаментов (AF), промежуточных филаментов (IF) и микротрубочек (MT) МИТХТ Электронная микрофотография апикальной части эпителиальных клеток кишечника, обработанных детергентом МИТХТ Флуоресцентная микрофотография, выявляющая кератиновые промежуточные филаменты фибробластов МИТХТ Кератиновые (красная флуоресценция) и ламиновые (голубая) филаменты МИТХТ Флуоресцентная микрофотография, выявляющая микротрубочки и центр организации микротрубочек клеток яичника хомяка МИТХТ Тубулиновые микротрубочки и промежуточные филаменты связаны между собой From T. M. Svitkina, A. B. Verkhovsky, and G. G. Borisov, 1996, J. Cell Biol. 135:991 МИТХТ Модель транспортной покрытой везикулы и схема сборки клатрина в сеть Binding site for assembly particles МИТХТ Клатриновый внешний скелет транспортных везикул МИТХТ Молекулярные машины МИТХТ Виды направленного движения в клетке • Перемещение, рост и редукция микротрубочек и микрофиламентов • Сокращение мышц • Волнообразное движение ресничек • Транспорт вдоль цитоскелета • Вращение жгутиков бактерий • Динамо-машина Н-синтетазы • Движение через бислойную мембрану Полимеризациядеполимеризация глобулярных белков Шагание Вращение Сальто МИТХТ Движение клетки, задаваемое полимеризацией-деполимеризацией актиновых микрофиламентов МИТХТ Мотор внутриклеточного транспорта по направляющим цитоскелета МИТХТ «Сальто» модель транспорта MDR1 и родственных ABC белков P. Borst, N. Zelcer, and A. van Helvoort, 2000, Biochim. Biophys. Acta 1486:128 Мотор жгутиков бактерий МИТХТ Мотор жгутиков бактерий Е.А. Николайчик РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА. Минск 2002 МИТХТ Электронные микрофотографии «вытянутого жгутикового базального тела» МИТХТ АТФ-синтаза может работать как протонная помпа, и для синтеза АТФ МИТХТ Схема строения АТФ-синтазы МИТХТ Выводы • Основные элементы молекулярных машин: – «опорные элементы» – транспортные везикулы – «двигатели» МИТХТ Выводы • «Опорные элементы»: – Плазматическая мембрана и мембраны органелл – Микротрубочки и микрофиламенты, построенные из глобулярных белков – Промежуточные филаменты (фибриллярные белки) МИТХТ Выводы • «Двигатели»: – Вращательного движения – Поступательного движения – Энергия подводится либо в виде H+, либо в виде АТФ МИТХТ Выводы • Транспортные везикулы: – Двигаются по «монорельсам» цитоскелета – Часто покрыты клатриновой сеткой
