Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_2 (1123307), страница 41
Текст из файла (страница 41)
ОРГАНИЗАЦИЯ МЕМБРАННЫХ ЛИП ИДОВ Амфифильный характер фосфолипидов означает, что две области молекулы по своей растворимости противоположны, поэтому в водных растворителях фосфолипиды самоорганизуются в особую структуру, обеспечивающую термодинамическую стабильность обеих областей. Этой структурой является мицелла (рис. 42.4): ее гидрофобные области защищены от воды, а гидрофильные экспонированы в водную среду. Примерно 60 лет назад Гортер и Грендел установили, что амфифильные молекулы образуют в водной среде термодинамически стабильный бимолекулярный слой (бислой).
Бислой — это плоская структура, в которой гидрофобные области фосфолипидов недоступны для воды, а гидрофильные в нее погружены (рис. 42.5). В неблагоприятное водное окружение экспонирован только край (или края) би- Рис. 42.4. Мнцелла (поперечный разрез). Полярные головки выступают в воду, а гндрофобные углеводородные хвосты находятся в окружении других углеводородов и, таким образом, с водой не контактируют.
слоя, но даже этот край можно ликвидировать, если плоскость замкнуть на себя, чтобы образовалась замкнутая везикула. Замкнутый бислой обеспечивает одно из основных свойств мембраны: он непроницаем для большинства водорастворимых молекул, поскольку они не растворяются в е~ о гидрофобной сердцевине. Здесь сразу возникают два вопроса. Во-первых, многие ли биологически активные вещества жнрорастворнмы и, следовательно, легко проникают в клетку? Такие газы, как кислород, СО, и азот, с малым размером молекул и слабо взаимодействующие с растворителями, легко диффундируют через гидрофобную область мембраны. Молекулы липидной природы, например стероидные гормоны, тоже без труда проникают через бислой. Скорость диффузии органических незаряженных молекул пропорциональна их коэффициенту распределения между ма- 11Г1Л~;::;.-'.
Ы1 1 111,:-.:..: нын слой Рис. 42.5. Схематическое представление бнслойной фосфолипидной мембраны. (Из книги 81гуег Ь, В)осЬеты[гу, 2Ы ед. Ргеешап, 1981, с небольшими изменениями.) Меибраиы: структура, сборка и функции К Таиптофен Инвол Мембрана Фермент 5с-Нуклеотидаза Аленилдтциклаза Ха'/К'-АТРаза Глюкозо-6-фосфатаза Галактоэилтрансфе раз а АТРсинтаза Плаэматическая 1о-14 ц1 — 12 Асимметрия мембран 1о 1О 1о В ю В ю Е ю Коэффициент проницеемости, см/с Низкая Высокея Проницаемость Рис.
42.6. Коэффициенты проницаемости лля липидных бислойных мембран волы, некоторых ионов и других малых молекул. (Иэ книги %густ 1..: В>осЬсгп/игу, 2пб сд. Ргссптап, 1981, с небольшими изменениями.) слом и водой (рнс. 42.6); чем больше растворимость молекулы в липндах, тем больше скорость ее диффузии через мембрану. Второй вопрос касается молекул, нерастворимых в жирах. Каким образом поддерживаются траиемембранные градиенты концентраций таких веществ? Объясняется это следуюшим: мембраны содержат белки, а белки также являются амфифнльными молекулами и могут соо гветствующнм образом встраиваться в бислой.
Эти белки формируют каналы, по которым могут перемещаться ионы и малые молекулы, а также служат переносчиками для больших молекул, которые другим способом не могут пересечь бислой. Все эти процессы мы рассмотрим ниже. МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ Белки, ассоциированные с бислоем Мембранные фосфолппиды играют роль растворителя для мембранных белков, создавая микроокружение, в котором последние могут функционировать.
Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, шесть являются в высшей степени гидрофобными из-за боковых групп, присоединенных к а-атому углерода, несколько аминокислот слабо гидрофобны, а остальные гидрофильны. Как мы видели в гл. 5, при образовании а-спирали гидрофобность самих пептидных групп минимнзируется. Таким образом, белки могут образовывать единое целое с мембраной. Для этого нужно, чтобы нх гидрофильные участки выступали из мембраны внутрь клетки и наружу, а гидрофобные пронизывали гидрофобную сердцевину бислоя.
И в самом деле. те участки белковых молекул, которые погружены в мембрану, содержат большое количество гидро фобных аминокислот н характеризуются высоким содержанием а- спиралей илн р-слоев. Число разных белков в мембране варьирует от 6 — 8 в саркоплазматическом ретикулуме до более чем 100 в плазматнческой мембране. Это ферменты, Таблица 42.2. Фсрментные маркеры различных мембран" Эндоплаэматический ретикулум Аппарат Гольджи Внутренняя митохондриальная мембрана "Мембраны содержат много белков; многие вз них обладают фсрмснтатввной активностью.
Некоторые ферменты локализованы в определенных мсмбренах и могут, таким образом, служить мврксремн прн очистке этих мембран. транспортные белки, структурные белки, антигены (т.е. белки, определяющие гистосовместимость) и рецепторы для разных молекул. Поскольку каждая мембрана характеризуется своим набором белков, говорить о существовании некой типичной структуры мембран нельзя.
В табл. 42.2 представлены ферментативные активности, присущие некоторым типам мембран. Мембраны являются динамическими структурами. Мембранные белки и липиды постоянно обновляются. Скорости обновления разных липидов, как и разных белков, варьируют в широком диапазоне.
Сами мембраны могут обновляться даже быстрее, чем любой их компонент. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в разделе, посвященном эндоцитозу. Асимметрия является важным свойством мембран и, по-видимому, отчасти связана с неравномерным распределением белков в мембране. Трансмембранная асимметрия может быть обусловлена и разной локализацией углеводов, связанных с мембранными белками. Кроме того, на внешней или внутренней стороне мембраны могут быть расположены какието специфические ферменты; это касается как мнтохондриальных, так и плазматических мембран.
Мембраны обладают также локальной асимметрией. В некоторых случаях (например, в щеточной каемке клеток слизистых оболочек) она проявляется почти на макроскопическом уровне. В других случаях (например, в области щелевых контактов, плотных контактов и синапсов, занимающих очень небольшую часть площади мембраны) области локальной асимметрии невелики. Наблюдается также асимметрия в распределении фосфолипидов между наружной и внутренней сторонами мембран (поперечная асимметрия). Так, холин- содержащие фосфолипиды (фосфатидил холин и сфингомиелин) располагаются в основном в наружном молекулярном слое, а аминофосфолнпцды 132 Глава 42 (фосфатидилсерин и фосфатидилэтанола мин)— преимущественно во внутреннем. Холестерол обычно содержится в наружном слое в больших количествах, чем во внутреннем.
Очевидно, что если такая асимметрия в принципе существует, то поперечная подвижность (флип-флоп) мембранных фосфолипидов должна быть ограничена. И в самом деле, для фосфолипидов в синтетических бислоях характерна исключительно низкая скорость перескоков — время существования асимметрии может измеряться днями или неделями. Однако при искусственном включении в синтетические бислои некоторых мембранных белков. например эритроцитарного белка гликофорина, частота флип-флоп-переходов фосфолипидов может возрасти в сотню раз. Механизмы асимметричного распределения липидов пока не установлены. Участвуюшие в синтезе фосфолипидов ферменты локализованы на цитоплазматической стороне мембран микросомных везикул.
Таким образом, можно предположить, что суШествуют транслоказы, переносящие определенные фосфолипиды от внутреннего слоя к наружному. Кроме того, в обоих слоях могут присутствовать специфические белки, преимущественно связывающие те или иные фосфолипиды и приводящие к их асимметричному распределению. Интегральные и периферические мембранные белки Большинство мембранных белков являются интегральными компонентами мембран (они взаимодействуют с фосфолипидами); почти все достаточно полно изученные белки имеют протяженность, превышаюшую 5 — 1О нм,— величину, равную толщине бислоя.
Эти интегральные белки обычно представляют собой глобулярные амфифильные структуры. Оба их конца гидрофильны, а участок, пересекающий сердцевину бислоя, гидрофобен. После установления структуры интегральных мембранных белков стало ясно, что некоторые из них (например„молекулы белков-переносчиков) могут пересекать бислой многократно, как это показано на рис. 42.7. Интегральные белки распределены в бислое асимметрично (рис. 42.8).
Если мембрану, содержащую асимметрично распределенные интегральные белки, растворить в детергенте, а затем детергент медленно удалить„то произойдет самоорганизация фосфолипидов и интегральных белков и сформируется мембранная структура, но белки в ней уже не будут специфическим образом ориентированы. Таким образом, асимметричная ориентация в мембране по крайней мере некоторых белков может задаваться при их включении в липидный бислой.
Наружная гидрофильная часть амфифильного белка, которая, конечно, синтезируется внутри клетки, должна затем пересечь гидрофобный слой мембраны и в конечном итоге оказаться снаружи. Молекулярные механизмы Рис. 42.7. Предполагаемая модель переносчика глюкозы у человека. Предполагается, что переносчик пересекает мембрану 12 рвз. Пересекающие мембрану участки могут образовывать амфифильныс а-спирали с амидной и гидроксильной боковыми группами и, по-видимому, связывают глюкозу или образуют канал для ее переноса. Аминои кнрбоксильный концы цепи находятся нв цитоплазматической поверхности.
(Из работы Мпеск)ег е1 в1.: 5еопепсс апд з1гпсюге от а пшпап к)исозе Ггапзроиег. Яс1епсе, 1985. 229, 941, с любезно~ о разрешения.) организации мембран мы обсудим позже. Периферические белки не взаимодействуют с фосфолипидами в бислое непосредственно; вместо этого они образуют слабые связи с гидрофильными участками специфических интегральных белков. Например, анкирин, периферический белок. связан с интегральным белком полосы Ш эритроцитарной мембраны. Спектрнн, образуюший скелет мембраны эритроцита, в свою очередь связан с анкирином и, таким образом, играет важную роль в поддержании двояковогнутой формы эритроцита. Молекулы иммуноглобулина являются интегральными белками плазматической мембраны и высвобождаются только вместе с небольшим фрагментом мембраны.
Интегральными белками являются многие рецепторы различных гормонов, и специфические полипептидные гормоны, связывающиеся с этими рецепторами, можно, таким образом, считать периферическими белками. Такие периферические белки, как пептидные гормоны, могут даже детерминировать распределение в плоскости бислоя интегральных белков— их рецепторов (см. ниже). ИСКУССТВЕННЫЕ МЕМБРАНЫ Искусственные мембраны получают с помошью специально разработанных методик.
Такие мембранные системы обычно состоят из одного фосфолипида (природного или синтетического) или их смеси. В соответствующих условиях (например, при мягкой обработке ультразвуком) эти фосфолипиды образуют сферические бислойные везикулы. Везикулы, ограниченные липндным бислоем, называются липосомями. Рассмотрим несколько примеров использования Менбраиы: онруктури, сборки и функции )ЗЗ ° ф Гиарсфильные области Лилианый бислой Белок Мицелпа Гидрофобные области 44Ф ф~ Ф1Ъ» "' "" ' ° Ф= ° Ф »из~ ~ »4711116 Асимметричная мембрана Симметричная мембрана Рис. 42.8. При самосборке мембраны сохраняется ее принципиальная структура, но не асимметрия. Мембраны разрушаются при обработке их детергентами в высокой концентрации; амфнфильные молекулы детергеита образуют маленькие капельки, называемые мицеллами. Детергент растворяет компоненты мембраны, обволакивая гидрофобные участки липидов и белков и заключая их в мицеллы, где они защищены от воды. После удаления детергента липиды спонтанно образуют новый бислой с интегрированными в него белками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
