Биологические мембраны: структурная организация, функции, модификация физико-химическими агентами - Артюхов В.Г.
ISBN 5-7455-1162-1
Скачать (прямая ссылка):
Н20
Рис. 5. Динамическая организация липидного бислоя: Р — области полярных групп; Н — области углеводородных цепей; а — упорядоченная “анизотропная” область; i — “изотропная” область; 1 — динамические дефекты
рые непрерывно распадаются и образуются» перемещаясь вдоль бислоя. При этом граничные области между кластерами представляют собой динамические дефекты в бислое. Последние также носят динамический характер» поэтому степень проницаемости липидной мембраны должна зависеть от времени жизни дефектов. Увеличение времени их жизни путем фиксации части кластеров при отвердевании бислоя приводит к резкому (на 1—2 порядка) возрастанию проницаемости мембраны.
Необходимо отметить, что на ориентацию и динамику полярных головок липидов влияет образование межмолекулярных водородных связей на поверхности мембраны. Донорами и акцепторами при образовании этих связей могут служить фосфати-дилсерин, фосфатидилэтаноламин, гликолипиды. Однако не ясно, каким образом водородные связи воздействуют на структуру мембраны. С точки зрения термодинамики, основной силой, стабилизирующей гидратированные липидные агрегаты, являются гидрофобные взаимодействия. К другим стабилизирующим факторам относятся водородные связи и ван-дер-ваальсовы силы (короткодействующие слабые силы притяжения между соседними гидрофобными цепями).
Важнейшим свойством липидного бислоя мембран является структурная асимметрия — различное распределение липидов между внутренним и наружным монослоями. Анализ распределения фосфолипидов в мембранах микросом, аппарата Гольджи, лизосом, ядер, митохондрий показывает, что фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин расположены преимущественно на цитоплазматической стороне, сфингомиелин, кардиолипин и фосфатидилинозитол — на внутренней, топологичной наружной стороне плазматических мембран, а фосфатидилхолин более или менее равномерно распределен между обеими сторонами. В наружном монослое липидов мембран эритроцитов человека содержится 44 % фосфатидилхолина, 44 % сфингомиелина и 12 % фосфати-дилэтаноламина, во внутреннем — 48 % фосфатидилэтаноламина, 28 % фосфатидилсерина, 10 % сфингомиелина и 14 % фосфатидилхолина.
Углеводородные цепи, входящие в состав фосфатидилхолина и сфингомиелина, более насыщены по сравнению с теми, которые находятся в составе фосфатидилэтаноламина и фосфатидилсерина. В связи с этим асимметрия в распределении полярных головок сопровождается асимметрией распределения жирнокислот-
ных хвостов. Это может привести к тому, что текучесть внутреннего монослоя будет несколько больше, чем внешнего. Известно также, что отрицательно заряженный фосфатидилсерин локализован во внутреннем монослое, следовательно, две стороны бислоя существенно различаются и по заряду. Феномен асимметричного распределения липидов необходим для проявления функциональной активности многих мембраносвязанных ферментов. Так, при активации протеинкиназы С она связывается с цитоплазматической стороной плазматической мембраны, где концентрируется фосфатидилсерин, необходимый для работы фермента. Асимметрия распределения липидов определяется не только ли-пид-белковым взаимодействием, но и асимметрией липидного синтеза, различиями ионного состава вне- и внутриклеточной среды. Асимметрия бислоя обеспечивается ферментами липидного обмена и липидпереносящими белками (липазами, системами обмена холестерина, метилазами фосфатидилэтаноламина).
Липиды в биомембранах выполняют множество функций. Во-первых, они обеспечивают структурную организацию и стабильность клеточных мембран. Во-вторых, выполняют барьерную и транспортную функции. В-третьих, играют фундаментальную роль в передаче информации и регулировании метаболических процессов в клетке. Последняя функция мембранных липидов включает участие их в реакциях биосинтеза; поддержании оптимальной активности белков-ферментов мембран; выполнении рецепторных функций, обеспечивающих проявление иммунологических свойств и ответственных за взаимодействие клеток; а также в процессах накопления, передачи и хранения энергии. Липиды участвуют в механизмах кратковременной и долговременной памяти. В дальнейшем вопрос о выполнении липидами регуляторной роли в различных процессах метаболизма будет рассмотрен более подробно в главах 2, 3.
1.2. МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ
1.2.1. Классификация, структура и функции мембранных белков
Белки обеспечивают выполнение мембранами их специфических функций. Поэтому содержание и типы белков в различных мембранах значительно варьируют. Так, в миелиновой мембране, выполняющей функцию изолятора, белки составляют около 20 % массы мембраны. Цитоплазматическая мембрана животных
клеток на 50 % состоит из белка, во внутренней мембране митохондрий на его долю приходится около 75 % (табл. 3). Плотность мембран прямо пропорциональна содержанию в них белка.
Обычно мембранные белки подразделяют на наружные (периферические) и внутренние (интегральные). При этом критерием служит степень жесткости обработки, необходимой для извлечения этих белков из мембраны. Периферические белки высвобождаются при промывании мембран буферными растворами с низкой ионной силой, с низким или высоким значением pH, в присутствии растворов хелатирующих агентов (ЭДТА), связывающих двухвалентные катионы. Такие белки контактируют с поверхностью мембраны в основном за счет слабых электростатических взаимодействий с полярными головками липидных молекул либо с молекулами других белков. В определенных условиях с биомембранами могут взаимодействовать некоторые водорастворимые цитоплазматические белки. Поэтому возникла необходимость в дополнительной классификации периферических белков, которые делятся на две группы: собственно периферические и поверхностные. Собственно периферические белки, как правило, связаны с мембраной электростатическими силами и могут быть частично погружены в ее гидрофобную область. Поверхностные белки прикрепляются к мембране только за счет электростатических взаимодействий. К периферическим белкам относят гексокиназу, связанную с белком порином, локализованным во внешней мембране митохондрий; цитохром С, который образует комплекс с мембранным белком цитохромоксидазой; креатинфосфокиназу, взаимодействующую с кардиолипином внутренней мембраны митохондрий. В группу периферических включают и белки цитоскелета: актин и миозин, ассоциированные с внутренней поверхностью мембраны в клетках эукариот, а также спектрин эритроцитов. У эукариот к числу периферических белков относят коллаген, фибро-нектин, ламинин, расположенные на внешней поверхности мембраны, входящие в состав экстраклеточного матрикса. Это гликопротеины, выполняющие сигнальную и структурные функции.
