Часть 3 (1129751), страница 44
Текст из файла (страница 44)
(2005). New views of cells in 3D:an introduction to electron tomography. Trends Cell Biol. 15: 43–51.McDonald K. L. & Auer M. (2006) High pressure freezing, cellular tomography,and structural cell biology. Biotechniques 41: 137–139.Pease D. C. & Porter K. R. (1581) Electron microscopy and ultramicrotomy.J. Cell Biol. 91: 287s–292s.Unwin P. N. T. & Henderson R. (1975) Molecular structure determination byelectron microscopy of unstained crystal specimens.
J. Mol. Biol. 94: 425–440.Часть IVВнутренняяорганизация клеткиГлавы:10. Структура мембраны11. Мембранный транспорт малых молекул и электрические свойства мембраны12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белков13. Внутриклеточный везикулярный транспорт14.
Преобразование энергии: митохондрии и хлоропласты15. Механизмы межклеточной сигнализации16. Цитоскелет17. Клеточный цикл18. Апоптоз10Структура мембраныКлеточные мембраны необходимы для функционирования клеток. Плазматическая мембрана окружает клетку, определяет ее границы и поддерживает необходимые различия между цитозолем и внеклеточной средой. Внутри эукариотическихклеток мембраны эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, митохондрийи других замкнутых мембранных органелл сохраняют характерные различия междусодержимым каждой органеллы и цитозолем.
Градиенты ионов через мембрану,создаваемые за счет работы специализированных мембранных белков, можно использовать для синтеза ATP, они могут быть движущей силой трансмембранногопереноса определенных растворенных веществ или, в случае нервных и мышечныхклеток, создавать и передавать электрические сигналы. Во всех клетках плазматическая мембрана также содержит белки, которые работают в качестве сенсороввнешних сигналов, позволяя клетке изменять свое поведение в ответ на стимулыокружающей среды, включая сигналы от других клеток; эти белковые сенсоры,или рецепторы, передают через мембрану не молекулы, а информацию.Несмотря на различные функции, все биологические мембраны обладают общей структурой: они представляют собой очень тонкую пленку липидов (жиров)и белков, удерживающихся вместе в основном за счет нековалентных взаимодействий (рис. 10.1).
Клеточные мембраны — это динамические, жидкие структуры;большинство составляющих их молекул непрерывно движется в плоскости мембраны. Молекулы липидов организованы в непрерывный двойной слой толщинойоколо 5 нм. Этот липидный бислой является базовой жидкой структурой мембраныРис. 10.1. Три взгляда на клеточную мембрану. (а) Электронная микрофотография среза плазматическоймембраны (красного кровяного тельца человека). (б и в) На этих рисунках показаны двумерный и трехмерный виды клеточной мембраны и общее расположение ее липидных и белковых составляющих. (а,с любезного разрешения Daniel S. Friend.)1072Часть IV.
Внутренняя организация клеткии служит относительно непроницаемым барьером для большинства растворимыхв воде молекул. Белковые молекулы, пронизывающие липидный бислой (трансмембранные белки; см. рис. 10.1), опосредуют практически все остальные функциимембраны, например, транспорт через нее определенных молекулы или катализсвязанных с мембраной реакций типа синтеза ATP. В плазматической мембраненекоторые трансмембранные белки функционируют в качестве структурных связей,соединяющих цитоскелет через липидный бислой либо с внеклеточным матриксом,либо с соседней клеткой, тогда как другие белки служат рецепторами для восприятия и преобразования химических сигналов окружающей среды. Как и следовалоожидать, чтобы клетка могла нормально функционировать и взаимодействоватьсо средой, требуется множество различных белков.
По оценкам, мембранные белкисоставляют около 30 % белков, кодируемых геномом животных клеток.В этой главе мы рассмотрим структуру и организацию двух основных составляющих биологических мембран — липидов и белков. Несмотря на то что мыв основном будем говорить о плазматической мембране, большинство описанныхпринципов применимо и для различных внутренних мембран клеток. Функции клеточных мембран будут рассмотрены в следующих главах: роль мембран в синтезеATP, например, обсуждается в главе 14; их участие в трансмембранном транспортемалых молекул — в главе 11; а роль в клеточной сигнализации и клеточной адгезии — в главах 15 и 19 соответственно.
В главах 12 и 13 мы обсудим внутренниемембраны клетки и миграцию белков через них и между ними.10.1. Липидный бислойЛипидный бислой — базовая структура всех клеточных мембран. Бислой легко увидеть в электронный микроскоп, и его структура полностью задана особымисвойствами липидных молекул, которые спонтанно упаковываются в бислои дажев простых искусственных условиях.10.1.1. Основными липидами клеточных мембран являются фосфоглицериды, сфинголипиды и стериныМолекулы липидов составляют примерно 50 % массы большинства клеточныхмембран животных, почти вся остальная масса — белки.
На площади липидногобислоя 1 × 1 мкм расположено примерно 5 × 106 липидных молекул, что соответствуетпримерно 109 липидных молекул в плазматической мембране маленькой животнойклетки. Все молекулы липидов в клеточных мембранах амфифильны, то есть онисостоят из гидрофильной («любящей воду»), или полярной, части и гидрофобной(«боящейся воды»), или неполярной, части.Большего всего в мембране содержится фосфолипидов. Они состоят из полярной «головки» и двух гидрофобных углеводородных «хвостов». В животных,растительных и бактериальных клетках «хвосты» — это обычно жирные кислоты,различающиеся по длине (они могут содержать от 14 до 24 атомов углерода).
Одиниз «хвостов» обычно имеет одну или более двойную цис-связь (т. е. он ненасыщен),тогда как у другого «хвоста» двойных связей нет (т. е. он насыщен). Как показанона рис. 10.2, каждая двойная цис-связь создает небольшой изгиб (кинк) в «хвосте». Различия в длине и насыщенности жирнокислотных «хвостов» влияют на то,как фосфолипидные молекулы уложены в бислое и, следовательно, на текучестьмембраны, как мы увидим позже.Глава 10. Структура мембраны 1073Рис. 10.2.
Части молекулы фосфоглицерида. Здесь представлены (а) схема, (б) формула, (в) пространственная модель и (г) символ фосфатидилхолина. Изгиб (кинк), вызванный наличием двойной цис-связи,преувеличен для наглядности.Основными фосфолипидами в большинстве клеточных мембран животныхявляются фосфоглицериды, имеющие в своей основе трехуглеродный глицерин(см. рис. 10.2). Два длинноцепочечных жирнокислотных «хвоста» через сложноэфирную связь соединены с соседними атомами углерода глицерина, а третийатом углерода связан с одним из нескольких различных типов головной группы.Варьируя жирные кислоты и головные группы, клетки синтезируют множествотипов фосфоглицеридов. Фософатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и фосфатидилхолин — это основные фосфоглицериды клеточных мембран млекопитающих(рис.
10.3, а–в).Другой важный фосфолипид, сфингомиелин, синтезируется из сфингозина,а не из глицерина (рис. 10.3, г–д). Сфингозин представляет собой длинную ацильную цепь с аминогруппой (NH2) и двумя гидроксильными группами (OH) на концемолекулы. В сфингомиелине жирнокислотный «хвост» связан с аминогруппой,афосфохолиновая группа — с концевой гидроксильной группой. Вторая гидроксильная группа остается свободной и вносит вклад в полярные свойства соседнейголовной группы благодаря своей способности образовывать водородные связис «головками» соседних липидов, молекулами воды или мембранными белками.Вместе фосфолипиды фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и сфингомиелин составляют больше половины массы липидов в большинствеклеточных мембран млекопитающих (см.
таблицу 10.1).Помимо фосфолипидов, в липидных бислоях многих клеточных мембран содержатся холестерин и гликолипиды. Эукариотические плазматические мембраны1074Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 10.3. Четыре основных фосфолипида плазматических мембран млекопитающих. Разные «головки»показаны разными цветами на символах. Липидные молекулы, изображенные на (а–в), являются фосфоглицеридами, синтезируемыми из глицерина. Молекула на (г) — это сфингомиелин, синтезируемыйиз сфингозина (д) и, следовательно, относящийся к сфинголипидам. Обратите внимание, что толькофосфатидилсерин обладает отрицательным суммарным зарядом, роль которого мы обсудим ниже;остальные три фосфолипида электрически нейтральны при физиологическом значении pH и несут одинположительный и один отрицательный заряды.содержат особенно много холестерина (рис.
10.4) — до одной молекулы на каждуюмолекулу фосфолипида. Холестерин относится к стеринам. Он содержит жесткуюциклическую структуру, с которой связаны единственная полярная гидроксильнаягруппа и короткая неполярная углеводородная цепь. Молекулы холестерина ориентируются в бислое таким образом, чтобы их гидроксильная группа располагаласьвблизи полярных «головок» соседних фосфолипидных молекул (рис. 10.5).10.1.2. Фосфолипиды самопроизвольно образуют бислоиФорма и амфифильная природа фосфолипидных молекул заставляют их спонтанно формировать бислои в водном окружении.
В главе 2 мы говорили, что гидрофильные молекулы легко растворяются в воде, потому что содержат заряженныеили незаряженные полярные группы, которые способны образовывать энергетическивыгодные электростатические или водородные связи с молекулами воды. С другойстороны, гидрофобные молекулы не растворяются в воде, поскольку почти все ихатомы не заряжены или неполярны и, следовательно, не способны образовыватьэнергетически выгодные взаимодействия с молекулами воды. При помещениив воду они вынуждают прилегающие молекулы воды формировать похожие наГлава 10. Структура мембраны 1075Рис.
10.4. Структура холестерина. Представлены (а) формула, (б) схема и (в) пространственная модельхолестерина.лед структуры, окружающие гидрофобную молекулу (рис. 10.6). Поскольку водав таком состоянии более упорядочена, чем просто в растворе, образование такихструктур увеличивает свободную энергию. Однако невыгодность этого процессаснижается, если гидрофобные молекулы (или гидрофобные части амфифильныхмолекул) группируются таким образом, чтобы взаимодействовать с наименьшимчислом молекул воды.Гидрофильные и гидрофобные области липидных молекул ведут себя точнотак же.
Таким образом, липидные молекулы самопроизвольно агрегируют для того,чтобы спрятать свои гидрофобные углеводородные «хвосты» внутрь и выставитьгидрофильные «головки» наружу. В зависимости от формы они могут делать этодвумя способами: либо формируя сферические мицеллы, в которых «хвосты» расположены внутри, либо образуя двухслойные пленки, или бислои, в которых гидрофобные «хвосты» расположены между гидрофильными «головками» (рис. 10.7).Фосфолипидные молекулы обладают цилиндрической формой, поэтому в водном окружении они спонтанно формирую бислои. В таком наиболее энергетически выгодном состоянии гидрофильные «головки» на обеих поверхностях бислоявыставлены в воду, а гидрофобные«хвосты» скрыты от воды внутри. Теже силы, которые заставляют липидыобразовывать бислои, ответственныза самовосстановление мембран. Маленький разрыв в бислое создает свободную границу с водой; поскольку этоРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
