190 |
Глава 10 |
Биологические мембраны |
ГМембранные белки
Все мембранные белки можно разделить на 4 группы:
1.Интегральные политопические белки прочно связаны с мембраной с помощью гидрофобных взаимодействий и пронизывают её насквозь (см. Рис. 113 ▲). При этом интегральные белки амфифильны, т.е. имеют как гидрофобные участки, погружённые в мембрану, так и гидрофильные, обращённые к водой среде. Некоторые белки содержат липидные группы, заякоривающие их в мембране: пренильные группы, ацильные группы (жирные кислоты) и гликозилфосфатидилинозитол.
Примеры интегральных политопических белков: транспортеры (АТФазы), ионные каналы (аквапорины, хлоридные каналы), портеры (унипортеры, симпортеры, антипортеры), некоторые ферменты (метанмонооксигеназа, ромбоидпротеаза).
2.Интегральные монотопические белки прочно связаны лишь с одним слоем липидов мембраны и не пронизывают её насквозь (другое назва-
ние — полуинтегральные).
Примеры интегральных монотопических белков: простагландин H2 син-
таза 1 и 2 (циклооксигеназы), ланостеролсинтаза и скваленциклаза, микросомальная простагландин E синтаза, карнитин-O-пальмитоилтранс- фераза-2.
3.Периферические белки ассоциированы с поверхностью мембран с помощью ионных и водородных связей с липидами и интегральными белками.
Примеры периферических белков: цитохром c (связанный со внешней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны), липоксиге-
назы, холестеролоксидазы, каротиноидоксигеназы, фосфолипаза С, фосфолипаза А2, сфингомиелиназа С.
4.Амфитропические белки обнаруживаются как в свободном виде в цитозоле, так и в связанном виде с мембранами. Их аффинность к мембранам обусловлена нековалентными взаимодействиями с мембранными белками и липидами, а в других случаях — наличием липидных групп.
Примеры амфитропических белков: Src-киназы (нерецепторные тирозиновые киназы), фосфолипаза С (участвующая в инозитолфосфатном сиг-
нальном пути), цитидилтрансфераза, протеинкиназа С, винкулин (белок цитоскелета).
10.2Функции мембран
1.Формирование физиологического клеточного барьера и отделение клеточного содержимого (образование мембранных органелл), поддержание его постоянства.
2.Транспорт веществ:
а. Пассивный; б. Активный.
Мембранный транспорт 191
3.Коммуникация между клетками и внутриклеточная сигнализация (сигнальные пути).
4.Клеточная адгезия.
5.Участие в энергетических процессах и проведении нервных импульсов.
10.3 Мембранный транспорт
Мембранный транспорт может быть:
1.Неопосредованным (простая диффузия) — так переносятся неполярные соединения (преимущественно — газы), белки в этом процессе не участвуют;
2.Опосредованным — так транспортируются полярные соединения и происходит это с помощью белков-переносчиков:
а. Пассивно-опосредованный транспорт (пассивный транспорт); б. Активно-опосредованный транспорт (активный транспорт).
—Первично-активный транспорт.
—Вторично-активный транспорт.
Пассивный транспорт происходит по градиенту концентрации (из места с повышенной концентрацией вещества в место с его пониженной). Его осуществляют:
1.Ионофоры: переносят ионы или формируют каналы (валиномицин, переносящий ионы K+);
2.Ионные каналы: переносят ионы и могут быть высокоселективными;
3.Порины: переносят ионы или неполярные вещества (бактериальный белок мальтопорин, переносящий мальтодекстрины);
4.Транспортные белки: отвечают за унипорт, симпорт и антипорт;
5.Аквапорины: осуществляют трансмембранный перенос молекул воды. Активный транспорт происходит против градиента концентрации с затратой
энергии по двум механизмам: первично-активному и вторично-активному.
В большинстве случаев первично-активный транспорт сопряжён с гидролизом АТФ (дефосфорилированием — отщеплением остатка фосфорной кислоты), что обеспечивает энергию для транспорта против градиента концентрации. Первично-актив- ный транспорт осуществляется АТФ-зависимыми транспортерами:
1.АТФазы типов «P», «F», «V», «A»: переносят H+, Na+, K+, Ca2+, и другие ионы. Пример: (Na+–K+)-АТФаза, Ca2+-АТФаза;
2.ABC-транспортеры: переносят ионы, небольшие молекулы метаболи-
тов и лекарственных веществ. Пример: P-гликопротеин. Вторично-активный транспорт использует энергию электрохимического гра-
диента (градиента концентрации ионов), которая обеспечивается с помощью пер- вично-активного транспорта. Иными словами, не используя энергию АТФ напрямую, вторично-активный транспорт зависит от первично-активного, а значит, косвенно нуждается в энергии АТФ. Примеры: Na+-глюкозная транспортная система (в энтероцитах), лактозная пермеаза (у кишечной палочки E. coli).
192 |
Глава 10 |
Биологические мембраны |
Рис. 114. Первично-активный (Na+–K+–АТФаза) и вторично-активный транспорт
(Na+-глюкозный симпортный переносчик)
Пассивный и активный транспорт может осуществляться по трем механизмам
(см. Рис. 115 ▼):
1.Унипорту (один ион/молекула в одном направлении);
2.Симпорту (два иона в одном направлении);
3.Антипорту (два иона в разных направлениях).
Рис. 115. Транслоказные системы и механизмы транспорта: унипорт, симпорт и антипорт.
Эндо- и экзоцитоз 193
10.4 Эндо- и экзоцитоз
Помимо небольших молекул и ионов клеткам необходимо поглощать и экспортировать частицы и крупные молекулы, которые не могут быть перенесены в клетку или из неё с помощью пассивного и активного транспорта. Для этого существует ве-
зикулярный транспорт в клетку (эндоцитоз) и из клетки (экзоцитоз).
Эндоцитоз — это процесс захвата макромолекул плазматической мембраной
итранспорта их в клетку путем образования липидной везикулы. Пути эндоцитоза:
1.Клатрин-зависимый эндоцитоз осуществляется путём образования небольших везикул (100 нм в диаметре), покрытых белковой оболочкой, состоящей из комплекса разных белков с белком клатрином. Так захватываются: ЛПНП, трансферрин, ростовые факторы и антитела. В этом пути участвуют мембранные рецепторы.
2.Кавеолярный эндоцитоз осуществляется с помощью мембранных впячиваний (кавеол) внутрь клетки в особых участках плазматической мембраны, богатых холестеролом и гликолипидами и связанных с белком кавеолином. Кавеолами богаты клетки гладкой мускулатуры, пневмоциты, фибробласты, адипоциты и эндотелиальные клетки. В этом пути участвуют мембранные рецепторы.
3.Макропиноцитоз происходит путем впячивания значительной области мембраны внутрь клетки и образования везикулы (0,5–5 мкм в диаметре), эквивалентной 100 клатриновым везикулам по объёму захваченных молекул. Затем такая везикула сливается с эндосомой и лизосомой. Этот эндоцитоз в рецепторах не нуждается (неселективный).
4.Фагоцитоз — это процесс захвата больших частиц диаметром более 0,75 мкм — пыль, клеточный мусор, микроорганизмы и даже клетки, под-
вергшиеся апоптозу.
Экзоцитоз — это процесс везикулярного транспорта соединений из клетки во внеклеточное пространство. Различают:
1.Ca2+-зависимый экзоцитоз (регулируемый) происходит чаще всего в нейронах и служит для проведения нервных сигналов (в химических синапсах).
2.Ca2+-независимый экзоцитоз (конститутивный) происходит во всех клетках и служит для секреции компонентов внеклеточного матрикса или доставки новосинтезированных мембранных белков, встроенных в плазматическую мембрану.
Внастоящее время известно, что в узнавании и направлении везикул к нужному месту участвуют v-SNARE (везикулярные белки) и t-SNARE (target-белки, встроенные в мембрану) белки. В сборке содержимого везикулы и самой везикулы участвуют ЭПР и комплекс Гольджи.