Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.3. Структура некоторых гликоглицеролипидов. R

и R

—

углеводородные цепи жирных кислот

NH CH

Галактоцереброзид

(нервон)

Холестерол

CHOH

COO

N-Ацетилнейраминовая

(сиаловая) кислота

Рис. 4.4. Компоненты и структурные формулы некоторых липидов

Стеролы (стероидные спирты). Эти вещества относят к простым («не-

омыляемым») липидам, не содержащим жирных кислот. Все стеролы содер-

жат b-гидроксильную группу при С-3, одну или несколько двойных связей в

кольце В и не содержат карбоксильные и карбонильные группы. Эти липиды

присутствуют во многих мембранах растений, животных и микроорганизмов,

выполняя различные функции: структурную, регуляторов текучести мембран,

предшественников витаминов и гормонов у растений и животных и др. Наиболее

распространенным стеролом мембран животных и многих бактерий является хо-

лестерол (рис. 4.4). Это слабо амфифильная молекула. Она включает жесткое

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

гидрофобное полициклическое ядро и полярную головку, представленную гидро-

ксильной группой.

Жесткость полициклического кольца холестерола сообщает мембранам

специфические свойства, стабилизируя их текучесть. Холестерол у животных

и человека выполняет роль предшественника всех стероидных гормонов и

витамина D, является компонентом желчных кислот, облегчающих всасыва-

ние жирных кислот в кишечнике. В некоторых мембранах, например, эрит-

роцитов млекопитающих он составляет 40—60% всех липидов. В клетках

растений, водорослей, мицелиальных грибов и дрожжей образуется множест-

во родственных холестеролу соединений: эргостерол, b-ситостерол, стигма-

стерол и др.

4.2. Свойства полярных липидов и их агрегатов

Липиды, формирующие биомембраны, представляют собой амфифильные

соединения (рис. 4.1, 4.2). Эта особенность организации находит отражение в

их свойствах: в водном окружении молекулы полярных липидов спонтанно

агрегируют с образованием структур, у которых гидрофобные части молекул

упакованы внутрь и защищены гидрофильными головками, обращенными к

воде. Такие агрегаты могут иметь разную форму и структуру, которая зависит

от строения молекулы липида и от соотношения размеров полярной и непо-

лярной ее частей.

Наиболее простые агрегаты амфифильных молекул называются мицел-

лами. Причем в зависимости от природы растворителя липиды могут образо-

вывать либо мицеллы обычного типа, либо так называемые «обращенные»

мицеллы (рис. 4.5). В воде формируются обычные мицеллы, у которых гид-

рофобные углеводородные цепи изолированы от водного окружения гидро-

фильными полярными головками.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Рис. 4.5. Липидные мицеллы в воде и неполярных растворителях

В неполярных растворителях (бензол, гексан и др.), содержащих следовые

количества воды, формируются обращенные мицеллы, у которых ориентация

липидных молекул противоположная (рис. 4.5). К мицеллообразующим ли-

пидам относятся соли высших жирных кислот и формы липидов, у которых

на молекулу приходится всего одна углеводородная цепь, а также многие де-

тергенты. Липидные мицеллы могут иметь разную форму: сферическую

(рис. 4.5), цилиндрическую, эллипсоидную, дискообразную. Особой разно-

видностью липидных агрегатов являются бислои (бимолекулярные слои). Как

правило, эти структуры формируются липидами, не способными образовы-

вать мицеллы, например фосфолипидами. Возможность организовываться в

бислои определяется, как и в случае мицелл, соотношением размеров поляр-

ной и неполярной частей молекулы.

Благодаря своей эластичности и гибкости бислои могут замыкаться сами

на себя с образованием ламеллярных пузырьков, которые называют липосо-

мами (рис. 4.6).

Липосомы служат удобными модельными системами для изучения мем-

бран, а также используются для доставки лекарственных препаратов в раз-

личные органы и ткани. Причем в этом случае появляется возможность изо-

лировать лекарственный препарат от разрушающих его ферментов и адресно

доставить к очагу заболевания. Липосомы и мицеллы можно получить при

обработке ультрафиолетом или ультразвуком водных дисперсий полярных

липидов, например фосфатидилхолина.

Силами, стабилизирующими структуру липидного бислоя, являются: гид-

рофобные взаимодействия, водородные связи и ван-дер-ваальсовы силы.

Гидрофобные взаимодействия вносят наибольший вклад в процесс стабили-

зации бислоев: под действием этих сил система принимает такую

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Рис. 4.6. Структурное представление о липосомах и липидных бислоях

структурную организацию, при которой сводятся к минимуму контакты меж-

ду неполярными участками липидных молекул и водой. Суммарное измене-

ние свободной энергии при переносе неполярного вещества из неполярного

растворителя в воду термодинамически неблагоприятно из-за энтропийных

эффектов, связанных с нарушением структуры воды как растворителя. Мож-

но сказать, что невыгодные взаимодействия между неполярным растворяе-

мым веществом и водой — это и есть «гидро-фобные силы». Водородные

связи образуются между полярными головками некоторых липидов. Ван-дер-

ваальсовы силы представляют собой короткодействующие слабые силы при-

тяжения между соседними гидрофобными цепями.

Толщина липидных бислоев определяется длиной углеводородных цепей,

а также наличием в них двойных связей и заместителей, т. е. плотностью

упаковки гидрофобных хвостов. Обычно этот параметр варьирует в пределах

4—5 нм.

Липидный бислой представляет собой жидкую среду с низкой вязкостью

(консистенция растительного масла). В зависимости от температуры липид-

ный бислой может находиться в двух основных состояниях —

кристаллическом (твердом или гелевом) и жидкокристаллическом (жидком).

Обычно этот переход осуществляется при температуре 15—40° С, но для ка-

ждого конкретного липида этот параметр строго определен и называется

температурой фазового перехода (t

). Температура фазового перехода зави-

сит от строения углеводородных хвостов и полярных головок. Рис. 4.7 дает

схематическое представление о фазовом переходе липидов в бислоях. При

переходе мембран из жидкокристаллического состояния в фазу геля текучесть

уменьшается приблизительно на два порядка. Поддержание жидкокристалли-

ческого состояния очень важно для функционирования мембран, и клетки

обладают механизмами регулирования текучести мембран, которые основаны

на изменении состава липидов в бислоях. Особенно большое значение дан-

ный механизм имеет для пойкилотермных организмов, не способных под-

держивать определенную температуру тела и зависящих от температуры ок-

ружающей среды.

Охлаждение

Нагревание (t

)

Гелевое, или «кристаллическое»

состояние липидного бислоя

Жидкокристаллическое

состояние липидного бислоя

Рис. 4.7. Фазовые переходы в состоянии липидного бислоя

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

4.3. Организация и функции мембранных белков

Липидам в составе мембран отводят, в первую очередь, структурные

свойства — они создают бислой, или матрикс, в котором размещаются ак-

тивные компоненты мембраны — белки. Именно белки придают разнообраз-

ным мембранам уникальность и обеспечивают специфические свойства.

Многочисленные мембранные белки выполняют следующие основные функ-

ции: обусловливают перенос веществ через мембраны (транспортные функ-

ции), осуществляют катализ, обеспечивают процессы фото- и окислительного

фосфорилирования, репликацию ДНК, трансляцию и модификацию белков,

рецепцию сигналов и передачу нервного импульса и др.

Принято делить мембранные белки на 2 группы: интегральные (внут-

ренние) и периферические (наружные). Критерием такого разделения слу-

жит степень прочности связывания белка с мембраной и, соответственно,

степень жесткости обработки, необходимой для извлечения белка из мембра-

ны. Так, периферические белки могут высвобождаться в раствор уже при

промывке мембран буферными смесями с низкой ионной силой, низкими

значениями рН в присутствии хелатирующих веществ, например этилендиа-

минотетраацетата (ЭДТА), связывающих двухвалентные катионы. Перифе-

рические белки выделяются из мембран при таких мягких условиях, посколь-

ку связаны с головками липидов или с другими белками мембраны при по-

мощи слабых электростатических взаимодействий, либо с помощью гидро-

фобных взаимодействий — с хвостами липидов. Наоборот, интегральные

белки представляют собой амфифильные молекулы, имеют на своей поверх-

ности большие гидрофобные участки и располагаются внутри мембраны, по-

этому для их извлечения требуется разрушить бислой. Для этих целей наибо-

лее часто используют детергенты или органические растворители. Способы

прикрепления белков к мембране довольно разнообразны (рис. 4.8).

Транспортные белки. Липидный бислой является непроницаемым барь-

ером для большинства водорастворимых молекул и ионов, и их перенос через

биомембраны зависит от деятельности транспортных белков. Можно выде-

лить два основных типа этих белков: каналы (поры) и переносчики. Каналы

представляют собой туннели, пересекающие мембрану, в которых места свя-

зывания транспортируемых веществ доступны на обеих поверхностях мем-

браны одновременно. Каналы в процессе транспорта веществ не претерпева-

ют каких-либо конформационных изменений, их конформация меняется

лишь при открывании и закрывании. Переносчики, наоборот, в процессе пе-

реноса веществ через мембрану изменяют свою конформацию. Причем в ка-

ждый конкретный момент времени место связывания переносимого вещества

в переносчике доступно только на одной поверхности мембраны.

Каналы, в свою очередь, можно разделить на две основные группы: по-

тенциалзависимые и регулируемые химически. Примером потенциалзависи-

мого канала является Na

-канал, его работа регулируется изменением напря-

жения электрического поля. Иными словами, эти каналы открываются и за-

крываются в ответ на изменение трансмембранного потен-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

Рис. 4.8. Различные способы прикрепления белков к мембране

циала. Химически регулируемые каналы открываются и закрываются в ответ

на связывание специфических химических агентов. Например, никотиновый

ацетилхолиновый рецептор при связывании с ним нейромедиатора переходит

в открытую конформацию и пропускает одновалентные катионы (подраз-

дел 4.7 данной главы). Термины «пора» и «канал» обычно взаимозаменяемы,

но под порой чаще понимают неселективные структуры, различающие веще-

ства главным образом по размеру и пропускающие все достаточно малые

молекулы. Под каналами чаще понимают ионные каналы. Скорость транс-

порта через открытый канал достигает 10

—10

ионов в секунду.

Переносчики также можно разделить на 2 группы: пассивные и активные.

С помощью пассивных переносчиков через мембрану осуществляется транс-

порт одного типа веществ. Пассивные переносчики задействованы в облег-

ченной диффузии и лишь увеличивают поток вещества, осуществляемый по

электрохимическому градиенту (например, перенос глюкозы через мембраны

эритроцитов). Активные переносчики транспортируют вещества через мем-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

брану с затратами энергии. Эти транспортные белки накапливают вещества

на одной из сторон мембраны, перенося их против электрохимического гра-

диента. Скорость транспорта с помощью переносчиков в очень сильной сте-

пени зависит от их типа и колеблется от 30 до 10

-1

. Часто для обозначения

отдельных переносчиков используют термины «пермеаза», «транслоказа»,

которые можно считать синонимами термина «переносчик».

Ферментные функции мембранных белков. В клеточных мем-

бранах функционирует большое количество разнообразных ферментов. Одни

из них локализуются в мембране, находя там подходящую среду для превра-

щения гидрофобных соединений, другие благодаря участию мембран распо-

лагаются в них в строгой очередности, катализируя последовательные стадии

жизненно важных процессов, третьи нуждаются в содействии липидов для

стабилизации своей конформации и поддержания активности. В биомембра-

нах обнаружены ферменты — представители всех известных классов. Они

могут пронизывать мембрану насквозь, присутствовать в ней в растворенной

форме или, являясь периферическими белками, связываться с мембранными

поверхностями в ответ на какой-либо сигнал. Можно выделить следующие

характерные типы мембранных ферментов:

1) трансмембранные ферменты, катализирующие сопряженные реакции

на противоположных сторонах мембраны. Эти ферменты имеют, как прави-

ло, несколько активных центров, размещающихся на противоположных сто-

ронах мембраны. Типичными представителями таких ферментов являются

компоненты дыхательной цепи или фотосинтетические редокс-центры, ката-

лизирующие окислительно-восстановительные процессы, связанные с транс-

портом электронов и созданием ионных градиентов на мембране;

2) трансмембранные ферменты, участвующие в транспорте веществ.

Транспортные белки, сопрягающие перенос вещества с гидролизом АТР, на-

пример, обладают каталитической функцией;

3) ферменты, катализирующие превращение связанных с мембраной суб-

стратов. Эти ферменты участвуют в метаболизме мембранных компонентов:

фосфолипидов, гликолипидов, стероидов и др.

4) ферменты, участвующие в превращениях водорастворимых субстратов.

С помощью мембран, чаще всего в прикрепленном к ним состоянии, фермен-

ты могут концентрироваться в тех областях мембран, где содержание их суб-

стратов наибольшее. Например, ферменты, гидролизующие белки и крахмал,

прикрепляются к мембранам микроворсинок кишечника, что способствует

увеличению скорости расщепления этих субстратов.

Белки цитоскелета. Цитоскелет представляет собой сложную сеть бел-

ковых волокон разного типа и присутствует только в эукариотических клет-

ках. Цитоскелет обеспечивает механическую опору для плазматической мем-

браны, может определять форму клетки, а также местоположение органелл и

их перемещение при митозе. С участием цитоскелета осуществляются также

такие важные для клетки процессы, как эндо- и экзоцитоз, фагоцитоз, амебо-

идное движение. Таким образом, цитоскелет является динамическим карка-

сом клетки и определяет ее механику.

Цитоскелет формируется из волокон трех типов:

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

1) микрофиламенты (диаметр ~ 6 нм). Представляют собой нитевидные

органеллы — полимеры глобулярного белка актина и других связанных с ним

белков;

2) промежуточные филаменты (диаметр 8—10 нм). Сформированы кера-

тинами и родственными им белками;

3) микротрубочки (диаметр ~ 23 нм) — длинные трубчатые структуры.

Состоят из глобулярного белка тубулина, субъединицы которого формируют

полый цилиндр. Длина микротрубочек может достигать нескольких микро-

метров в цитоплазме клеток и нескольких миллиметров в аксонах нервов.

Перечисленные структуры цитоскелета пронизывают клетку в разных на-

правлениях и тесно связываются с мембраной, прикрепляясь к ней в некото-

рых точках. Эти участки мембраны играют важную роль в межклеточных

контактах, с их помощью клетки могут прикрепляться к субстрату. Они же

играют важную роль в трансмембранном распределении липидов и белков в

мембранах.

4.4. Характерные свойства биомембран

Несмотря на то, что мембраны существенно различаются по составу фор-

мирующих их компонентов, можно выделить и охарактеризовать несколько

особенностей в их организации и свойствах, которые дают возможность гово-

рить об универсальности строения всех биомембран.

Текучесть мембраны. Это свойство обусловлено постоянным движением

мембранных компонентов. Мембраны представляют собой динамические

структуры, в которых и липиды, и белки совершают движения разных типов с

различной скоростью. Эти свойства характеризуют жидкокристаллическое

состояние мембраны. При переходе мембран в фазу геля ее текучесть умень-

шается на два порядка и, как результат, организация и правильное функцио-

нирование компонентов мембраны (особенно белков) резко нарушаются. По-

этому организмы и стараются поддерживать мембраны в жидкокристалличе-

ском состоянии.

Для компонентов мембраны характерны следующие типы движения:

1) вращательное движение (вокруг продольной оси) — наблюдается, в

первую очередь, для липидных молекул и совершается очень быстро, с часто-

той 10

—10

-1

. Вращательные движения характерны и для большинства

мембранных белков, но с гораздо меньшей скоростью, поскольку белки име-

ют больший размер и часто формируют агрегаты;

2) латеральное перемещение (в плоскости мембраны). Коэффициент ла-

теральной диффузии липидов составляет 10

-9

—10

-7

см

Чс

-1

, т. е. за 1 с фосфо-

липидная молекула совершает от 1000 до 100 000 скачков с размером шага,

равным ее диаметру (~ 1 нм). Для белков скорость латеральной диффузии

ограничена, что может быть обусловлено большим размером белковых моле-

кул, их связью с другими белками или с цитоскелетом;

3) миграция молекул с одной стороны мембраны на другую (флип-флоп

перескок). Это наиболее медленный способ движения мембранных компо-

нентов, его характерная скорость для фосфолипидов составляет несколько

суток. Причина такого медленного движения заключается в его энергетиче-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

ской невыгодности — липиду с полярной головкой требуется пересекать гид-

рофобную область бислоя. Однако флип-флоп перескок может ускоряться в

присутствии некоторых интегральных белков или при возмущениях в бислое,

а также в некоторых специализированных мембранах. Например, в мембране

эндоплазматического ретикулума клеток печени крысы эта скорость может

достигать нескольких минут. Предполагается, что увеличение скорости

трансмембранного перехода липидов связано с присутствием в мембране мо-

лекул, облегчающих перенос липидов через бислой.

Для белков в естественных мембранах флип-флоп перескок пока не обна-

ружен. Считается, что белки, находясь в плоскости бислоя, не меняют своей

топологической ориентации. Они встраиваются в мембрану в строго опре-

деленной ориентации (относительно обеих ее поверхностей) и остаются в та-

ком положении в течение всего времени их жизни.

Асимметрия мембраны. Все природные мембраны асимметричны, что

обусловлено, в первую очередь, различиями в составе омывающих их сред.

Например, наружная поверхность плазматической мембраны контактирует с

окружающим водным раствором, а внутренняя ее поверхность — с клеточ-

ным содержимым. Кроме того, поверхности мембраны различаются по своей

кривизне: наружная поверхность является выпуклой, а внутренняя —

вогнутой. В результате и липидные, и белковые молекулы распределены ме-

жду двумя слоями бислоя асимметрично. Например, гликолипиды всегда

встроены в наружную часть бислоя, так что их углеводная часть направлена

во внеклеточную среду. В мембранах эритроцитов фосфатидилхолин и сфин-

гомиелин находятся преимущественно в наружной части бислоя, а фосфати-

дилэтаноламин и фосфатидилсерин в основном во внутренней. Еще большую

асимметрию имеют в мембранах интегральные и периферические белки.

Одним из основных факторов, определяющих асимметрию мембран,

является взаимодействие липидов с цитоскелетом. Трансмембранная

асимметрия обусловливает чувствительность мембраны к изменениям

среды по обе ее стороны и чрезвычайно важна для функционирования

клетки.

Между внутренними мембранами эукариот происходит постоянное пере-

распределение липидных молекул — процесс межмембранного транспорта

липидов, который обеспечивается специфическими белками. Перенос фосфо-

липидов интенсивно осуществляется между митохондриальными мембрана-

ми, эндоплазматическим ретикулумом, плазматической мембраной, лизосо-

мами и другими органеллами. Это явление позволяет клетке регулировать

скорость протекающих в мембранах процессов.

4.5. Транспорт веществ через мембраны

Жизнедеятельность клетки связана с постоянным обменом ее содержимо-

го с окружающей средой. Точно так же и внутри клетки происходит переме-

щение веществ между органеллами или компартментами. Все эти события

связаны с преодолением основного барьера для веществ — мембраны, огра-

ничивающей органеллу или саму клетку. При этом следует помнить, что

главная функция биомембран — избирательность транспорта для различных

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

веществ и ионов. Возможные способы транспорта через мембраны можно

разделить на 4 основных типа: пассивная диффузия, облегченная диффузия,

активный транспорт и цитозы.

Пассивная диффузия. Это процесс транспорта через мембраны веществ

из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией

(по химическому градиенту), в котором не принимают участия транспортные

белки и не затрачивается энергия. С помощью такого способа через мембрану

транспортируются малые незаряженные молекулы, например молекулы га-

зов, некоторые анестезирующие вещества, а также вода. Чтобы пересечь бис-

лой, молекула должна преодолеть поверхностное натяжение на границе мем-

браны, проникнуть в бислой, продиффундировать через него и выйти с про-

тивоположной стороны, вновь преодолев энергетический барьер на границе

раздела фаз. Этим и объясняется избирательная проницаемость липидного

бислоя для небольших молекул неэлектролитов. Удивительным является факт

весьма легкого и быстрого проникновения воды через мембраны: показано,

что молекуле воды требуется для пересечения бислоя всего 1 мкс. Для объяс-

нения этого феномена в последнее время появляются основанные на некото-

рых экспериментальных данных предположения о том, что в мембранах все

же существуют какие-то белковые проводящие пути для воды, либо молекулы

воды пользуются локальными дефектами в структуре бислоев.

Перемещение одних только молекул воды через полупроницаемую мем-

брану можно рассматривать как частный вид диффузии — осмос. Под осмо-

сом понимают переход молекул воды из области с высоким водным потен-

циалом и низкой концентрацией растворенного вещества в область с низким

водным потенциалом и высокой концентрацией растворенного вещества

(рис. 4.9). В этом случае молекулы воды будут переходить из гипотониче-

ского раствора в гипертонический до тех пор, пока не наступит равновесие

и оба раствора не станут изотоническими по отношению друг к другу.

Чтобы обозначить величину уменьшения водного потенциала, вызванно-

го присутствием растворенных веществ, используют термин «осмотическое

давление». Под осмотическим давлением понимают давление, которое сле-

дует приложить к раствору, чтобы остановить осмотическое поступление во-

ды в него через полупроницаемую мембрану. Повышение концентрации рас-

творенного вещества увеличивает осмотическое давление и уменьшает вод-

ный потенциал раствора.

Перемещение воды через плазматические мембраны клеток в соответст-

вии с законами осмоса создает организмам немалые проблемы, особенно для

водных обитателей. Поэтому осморегуляция (поддержание водного потен-

циала в клетке на постоянном уровне) является важной стороной функцио-

нальной деятельности большинства организмов, и на ее осуществление зачас-

тую тратится значительная доля запасенной клеткой энергии.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)