Часть 3 (1129751), страница 45
Текст из файла (страница 45)
10.5. Холестерин в липидном бислое. Схематическое изображение молекулы холестерина,взаимодействующей с двумя фосфолипидными молекулами в одном монослое липидного бислоя.1076Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 10.6. Как гидрофильные и гидрофобные молекулы по-разному взаимодействуют с водой. (а) Поскольку ацетон полярен, он может образовывать энергетически выгодные электростатические связис молекулами воды, которые также полярны. (б) Наоборот, 2-метилпропан полностью гидрофобен. Поскольку он не способен энергетически выгодно взаимодействовать с водой, он заставляет прилегающиемолекулы воды формировать упорядоченные, похожие на лед структуры, что увеличивает свободнуюэнергию. Таким образом, это соединение практически нерастворимо в воде.
Символ δ обозначает парциальный отрицательный заряд, а δ+ — парциальный положительный заряд. Полярные атомы показаныцветом, неполярные группы серые.энергетически невыгодно, липиды стремятся реорганизоваться таким образом,чтобы убрать свободную границу. (При больших разрывах в эукариотическихплазматических мембранах восстановление происходит путем слияния с мембранойвнутриклеточных везикул.) Запрет свободных границ имеет важные последствия:единственным способом их избежать является замыкание бислоя самого на себядля формирования закрытого компартмента (рис. 10.8).
Это удивительное поведение, лежащее в основе жизни клетки, напрямую следует из формы и амфифильнойприроды молекул фосфолипидов.Рис. 10.7. Упаковка липидных молекул в водном окружении. (а) Конусообразные липидные молекулы(вверху) образуют мицеллы, тогда как цилиндрические фосфолипидные молекулы (внизу) образуютбислои.
(б) Поперечные срезы липидной мицеллы и липидного бислоя. Липидные молекулы в водев зависимости от своей формы самопроизвольно образуют одну из этих структур.Глава 10. Структура мембраны 1077Рис. 10.8. Спонтанное замыкание фосфолипидного бислоя и формирование закрытогокомпартмента. Замкнутая структура устойчива,поскольку она не позволяет гидрофобным углеводородным «хвостам» взаимодействовать с водой,что энергетически невыгодно.Липидный бислой также обладаетдругими свойствами, делающими егоидеальной структурой для образованияклеточных мембран.
Одним из наиболееважных является его текучесть, которая необходима для многих функциймембраны.10.1.3. Липидный бислой — этодвумерная жидкостьОколо 1970 г. исследователи впервые обнаружили, что отдельные липидные молекулы способны свободнодиффундировать в пределах липидногобислоя. Сначала это показали на искусственных липидных бислоях. Дватипа препаратов были очень полезны для этих исследований: (1) бислои в формесферических везикул, называющихся липосомами, диаметр которых изменяетсяот 25 нм до 1 мкм в зависимости от того, как их получать (рис.
10.9); и (2) плоские бислои, носящие название черных мембран и формирующиеся в отверстиина границе между двумя сосудами с водой (рис. 10.10).Для измерения движения отдельных липидных молекул и их компонентовприменяют различные методы. Можно, например, получить липидную молекулу,к «головке» которой присоединена флуоресцентная молекула или маленькая частица золота, и наблюдать диффузию отдельных молекул в мембране. С другойстороны, можно модифицировать «головку» липида таким образом, чтобы онанесла «спиновую метку», например нитроксильную группу (>N–O), содержащуюнеспаренный электрон, чей спин создает парамагнитный сигнал. Этот сигнал можнозарегистрировать при помощи спектрометра электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
(Принципы этого метода сходны с принципами ЯМР, описанногов главе 8.) Из спектра ЭПР можно определить траекторию движения и ориентациюспин-меченого липида в бислое. Такого рода исследования показали, что молекулы фосфолипидов в искусственных бислоях очень редко мигрируют из монослояна одной стороне в монослой на другой. Этот процесс, известный как «флип-флоппереход», происходит для каждой отдельной молекулы реже, чем раз в месяц.Однако холестерин является исключением из этого правила и переходит из одногомонослоя в другой очень быстро. С другой стороны, липидные молекулы легкоменяются местами со своими соседями в пределах монослоя (~107 раз в секунду).
В результате происходит быстрая латеральная диффузия с коэффициентомдиффузии (D), равным примерно 108 см2/с. Это означает, что молекула липида1078Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 10.9. Липосомы. (а) Электронная микрофотография нефиксированных, неокрашенных липидныхвезикул — липосом — в воде после быстрой заморозки при температуре жидкого азота. (б) Схема поперечного среза маленькой сферической липосомы.
Липосомы широко используют в качестве модельныхмембран в экспериментальных исследованиях. (а, из P. Frederik and W. Hubert, Meth. Enzymol. 391: 431,2005. С любезного разрешения Elsevier.)в среднем диффундирует на длину большой бактериальной клетки (~2 мкм) примерно за 1 секунду. Эти исследования также показали, что липидные молекулыочень быстро вращаются вдоль своей длинной оси и обладают гибкими углеводородными цепями. Компьютерное моделирование показывает, что липидные молекулыв мембранах очень неупорядочены и образуют в воде по обеим сторонам бислоянеравномерные поверхности из расположенных на разном расстоянии и по-разномуориентированных «головок» (рис. 10.11).Сходные исследования движения меченых молекул липидов в изолированныхбиологических мембранах и живых клетках привели к таким же результатам, какРис.
10.10. Поперечный срез черной мембраны — искусственного липидного бислоя. Этот плоский бислой кажется черным, когда он формируется в маленьком отверстии в перегородке между двумя сосудамис водой. Черные мембраны используют для измерения проницаемости искусственных мембран.Глава 10. Структура мембраны 1079Рис. 10.11.
Подвижность молекул фосфолипидов в искусственном липидном бислое. Компьютеррассчитал положение каждого атома в модели 100 молекул фосфатидилхолина через 300 пикосекундмолекулярной динамики. Благодаря этим теоретическим расчетам (которые в 1995 г. требовали недельзагрузки процессора) построена модель липидного бислоя, учитывающая почти все измеряемые характеристики искусственных липидных бислоев, включая их толщину, число молекул липидов на площадьмембраны, глубину проникновения воды и неровность поверхности. Обратите внимание, что при достаточной длине «хвосты» в одном монослое могут взаимодействовать с «хвостами» в другом. (б) Различные движения молекулы липида в бислое. (а, основано на S. W. Chui et al., Biophys.
J. 69: 1230–1245,1995. С любезного разрешения Biophysical Society.)и в случае искусственных бислоев. Они показали, что липидный компонент биологических мембран представляет собой двумерную жидкость, в которой составляющиеее молекулы свободно движутся в латеральном направлении. Как и в искусственныхбислоях, молекулы липидов обычно остаются в одном монослое. Это ограничениесоздает проблемы для их синтеза. Фосфолипидные молекулы образуются тольков одном монослое мембраны, в основном, в цитоплазматическом монослое мембраны эндоплазматического ретикулума.
Если бы ни одна из синтезированныхмолекул не была способна достаточно быстро мигрировать в нецитоплазматическиймонослой, новый липидный бислой невозможно было бы синтезировать. Эта проблема решается особым классом трансмембранных ферментов, носящих названиетранслокаторов фосфолипидов и катализирующих быстрый флип-флоп переходфосфолипидов из одного монослоя в другой (см. в главу 12).10.1.4. Текучесть липидных бислоев зависит от их составаТекучесть клеточных мембран должна точно контролироваться.
Эффективностьопределенных процессов мембранного транспорта и функционирования ферментов,например, снижается, когда вязкость бислоя искусственно увеличивают до значения,превышающего пороговую величину.Текучесть липидного бислоя зависит от его состава и температуры, что былопоказано в экспериментах на искусственных бислоях. Искусственный бислой, состоящий из одного типа фосфолипидов, переходит из жидкого состояния в двумерное1080Часть IV. Внутренняя организация клеткижидкокристаллическое состояние (или гель) при характеристической температурезамерзания.
Такое изменение состояния называется фазовым переходом, и температура, при котором он происходит, ниже (то есть мембрану становится сложнеезаморозить), если липиды содержат короткие или ненасыщенные углеводородныецепи. Меньшая длина цепи мешает углеводородным «хвостам» взаимодействоватьдруг с другом как в пределах одного монослоя, так и в разных монослоях. Двойные цис-связи приводят к образованию кинков в углеводородных цепях, которыепротиводействуют плотной упаковке липидов, поэтому мембрана остается жидкойпри более низких температурах (рис. 10.12). Бактерии, дрожжи и другие организмы, температура которых равна температуре окружающей среды, настроилижирнокислотный состав своих мембран таким образом, чтобы поддерживаласьпримерно постоянная текучесть.
Например, если температура падает, клетки этихорганизмов синтезируют жирные кислоты с большим числом двойных цис-связейи таким образом избегают снижения текучести бислоя, которая в противном случаепроизошла бы после похолодания.Холестерин регулирует свойства липидных бислоев. При смешивании с фосфолипидами он усиливает барьерные свойства липидного бислоя. Он встраиваетсяв бислой таким образом, что его гидроксильная группа оказывается вблизи полярных«головок» фосфолипидов, а его жесткие плоские стероидные кольца взаимодействуют и частично иммобилизуют части углеводородных цепей, расположенныеближе всего к полярным «головкам» (см.
рис. 10.5). Снижая подвижность первыхнескольких CH2-групп углеводородных цепей молекул фосфолипидов, холестеринделает липидный бислой в этой области менее деформируемым и, следовательно,уменьшает проницаемость бислоя для малых растворимых в воде молекул. Несмотряна то что холестерин уплотняет упаковку липидов в бислое, он не делает мембраны сколько-нибудь менее текучими. При высоких концентрациях, свойственныхбольшинству плазматических мембран эукариот, холестерин также препятствуетсближению и кристаллизации углеводородных цепей.В таблице 10.1 представлен липидный состав нескольких биологическихмембран. Обратите внимание, что бактериальные плазматические мембраны частосостоят из одного основного типа фосфолипида и не содержат холестерина; ихмеханическая устойчивость усиливается окружающей клетку клеточной стенкой(см. рис. 11.8).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
