Биохимия пособие Коновалова 2012

Наличие в молекуле холестерина жесткой структуры из четырех конденсированных колец позволяет играть ему важную роль модифика­ тора липидного бислоя, регулируя упаковку и контролируя подвиж­ ность его компонентов. Под влиянием холестерина возрастает плот­ ность упаковки молекул липидов (происходит увеличение упорядочен­ ности в расположении углеводородных цепей остатков жирных кислот) в толще бислоя и уменьшение их подвижности. Тем самым холестерин оказывает влияние на функциональную активность мембраны —ее про­ ницаемость для веществ различной природы, работу встроенных в мем­ брану ферментов и т. д. Возрастание уровня холестерина в мембранах - характерная черта наследственных гиперхолестеринемий, ишемической болезни сердца, атеросклероза

Структура главных липидов биологических мембран имеет одну общую черту, которая определяет их способность к образованию двой­ ного липидного слоя в водной среде. Все эти соединения амфифильны по своей природе, то есть содержат как гидрофильные, так и гидрофоб­ ные участки.

В бислое молекулы липидов уложены в виде двух параллельных монослоев, обращенных друг к другу своими гидрофобными сторонами. Полярные группы липидных молекул образуют соответственно две гид­ рофильные поверхности, отделяющие внутреннюю неполярную об­ ласть бислоя от водной среды. Толщина липидного бислоя определяет­ ся, прежде всего, длиной углеводородных цепей радикалов жирных ки­ слот, а также плотностью упаковки липидных молекул и варьирует в пределах 5-10 нм.

Условия, в которых находятся молекулы липидов, по разные сто­ роны бислоя могут значительно различаться по таким параметрам, как ионный состав среды, pH, наличие или отсутствие мембрано-активных веществ и др. В результате состав липидов на наружной стороне бислоя может быть иной, чем на внутренней. Так, в цитоплазматической мем­ бране эритроцитов фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозит локализованы преимущественно на внутренней стороне

71

мембраны, а фосфатидилхолин и сфингомиелин - на внешней. Холесте­ рин также неравномерно распределен между внутренним и внешним листками липидного бислоя. Его содержание во внешнем монослое мембраны почти в два раза больше, чем во внутреннем.

Бислой может находиться в двух основных состояниях - кристал­ лическом (гелевом, «твердом») и жидкокристаллическом («текучем», «расплавленном»). Состояние геля образуется, когда жирнокислотные «хвосты» липидов находятся в полностью упорядоченной транс­ конформации. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, которая зависит как от строения углеводо­ родных цепей жирных кислот в составе липидных молекул, так и от природы их полярных головок. Во многих случаях фазовые изменения могут происходить и при постоянной температуре за счет изменений значения pH, ионного состава среды, присутствия мембранотропных веществ и т. д. В условиях нативной клетки липиды в мембранах ве­ дут себя подобно жидким кристаллам. Именно в таком «расплавлен­ ном» состоянии реализуется сочетание упорядоченности с лабильно­ стью. Жидкокристаллическое состояние липидов в бислое обеспечива­ ется молекулярной подвижностью его компонентов, и прежде всего подвижностью углеводородных цепей липидных молекул. Наличие большого числа С-С-связей в углеводородной цепи позволяет ей при­ нимать разнообразные конформации за счет процесса транс-гош- изомеризации. При переходе двух соседних транс-конформаций в гошпроисходит излом цепи и в гидрофобной части бислоя образуется не­ большая свободная полость - кинк (от англ, kink - петля).

Однако, вследствие близкого расположения соседних цепей, изо­ меризация происходит в виде сопряженных поворотов в смежных сег­ ментах С-С-связей. В результате на углеводородной цепи жирной ки­ слоты появляется ряд кинков.

Возникающие кинки постоянно мигрируют вдоль цепи, что при­ водит к разрыхлению бислоя, появлению в нем подвижных дефектов упаковки липидных молекул, через которые возможно проникновение в мембрану гидрофильных веществ.

72

Аналогичное влияние на упаковку оказывают двойные цис-связи ненасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов. Их присутст­ вие приводит к образованию постоянного кинка в углеводородной цепи.

Подвижностью могут обладать не только отдельные участки угле­ водородной цепи липидной молекулы, но и вся молекула в целом. Так, она может вращаться вокруг продольной оси, совершать различные пе­ ремещения. Миграция молекул вдоль поверхности бислоя называется латеральной диффузией. В жидкокристаллическом состоянии скорость латеральной диффузии молекул липидов достаточно высока. В то же время, переход липидов с одной стороны бислоя на другую или флирфлоп обычно происходит крайне медленно-^фосфолипидной молекуле "ДЛЯ пересечения бислоя толщиной в 4-5 нм может понадобиться не­ сколько часов, тогда как в ходе латеральной диффузии она преодолевает это расстояние примерно за 2,5 мкс. Однако в ряде случаев скорость флип-флопа может значительно возрастать под действием некоторых факторов, например таких, как присутствие в бислое молекул, облег­ чающих перенос через его гидрофобную область полярной головки ли­ пидной молекулы.

Рис, Виды подвижности липидов мембраны:

а —латеральная диффузия; б —вращение молекулы во­ круг оси; в —поперечная диффузия

или флип-флоп.

7 3

В зависимости от состава липидов, условий окружающей среды и других факторов, распределение липидных молекул в плоскости бислоя неоднородно. Липиды способны образовывать упорядоченные области

—кластеры (домены), в которых плотность упаковки нескольких десят­ ков-сотен липидных молекул может существенно отличаться от сосед­ них с ними участков. Время жизни кластеров мало и, вследствие неодновременности протекания процессов их распада и образования по всей мембране, более упорядоченные области сосуществуют с уже «расплав­ ленными». В этих условиях для мембран характерно наличие разного рода «дефектов» бислоя, которые могут индуцировать встраивание в мембрану различных соединений, способствовать увеличению ее про­ ницаемости для гидрофильных молекул и ионов, оказывать влияние на взаимодействие белковых молекул друг с другом и т. д.

Таким образом, наличие бислоя липидов, его состояние имеет большое значение для функционирования мембраны.

Функции липидов:

1.Формируют барьер проницаемости для полярных молекул.

2.Обеспечивают жидкокристаллическое состояние (текучесть) мембраны, которое зависит от степени насыщенности радика­ лов жирных кислот в составе липидов, содержания холестери­ на, температуры и других факторов. Стабилизация мембран уменьшает функциональную активность клетки.

3.Являются «растворителем» для интегральных белков мембраны и играют важную роль в поддержании их нативной конформа­ ции, а, следовательно, и функциональной активности, через из­ менение состава липидного окружения и его микровязкости (текучести).

Белки мембран

Белки - обязательный компонент мембранных структур. Именно с наличием белковых молекул связано большинство функций, выполняе­ мых мембранами. По степени влияния на структуру бислоя и силе взаи­ модействия с ним белки делятся на интегральные и периферические.

Интегральные белки - это обычно глобулярные амфифильные структуры, погруженные внутрь липидного бислоя. Среди них выделя­ ют прошивающие белки, которые пронизывают бислой насквозь. Инте­ гральные белки достаточно прочно связаны с липидами за счет гидро­ фобного взаимодействия, поэтому для их выделения необходимо снача­ ла разрушить двойной слой липидов с помощью детергентов (поверхно­ стно-активных веществ) - соединений, солюбилизирующих нераство­ римые в воде вещества.

74

Рис. Варианты расположении белков в мембране:

а, б, в - интегральные белки (а, б —прошивающие); г, д - периферические белки

Глубина внедрения интегральных белков в бислой липидов зави­ сит от соотношения гидрофобных и гидрофильных областей в молекуле белка. Гидрофильные участки располагаются на поверхности мембраны (на уровне полярных головок молекул липидов), а гидрофобные - в толще бислоя. В результате взаимодействия белка с липидами может происходить изменение градиента кривизны и деформация бислоя.

Внедрение белка в липидный матрикс упорядочивает последний, делая его структуру более жесткой за счет «прилипания» и ориентации молекул липидов, примыкающих к поверхности белка, где их подвиж­ ность затрудняется. То есть, не только липиды влияют на конформацию мембранного белка, но и сам белок модифицирует липидный бислой.

Белки в составе мембраны, также как и липиды, обладают способ­ ностью к миграции. Подвижность белка определяется не только его свойствами, но и состоянием липидного окружения. Чем больше микровязкосгь липидов (ниже текучесть), тем меньше у молекулы белка воз­ можностей для движения.

Периферические белки_отличаются от интегральных значитель­ но меньшей глубиной проникновения в бислой. Они, как правило, свя­ заны с мембраной за счет полярных и ионных взаимодействий и не кон­ тактируют с гидрофобной частью бислоя липидов. Периферические белки относительно легко экстрагируются из мембраны в мягких усло­ виях, например при промывании буферными растворами с различным значением pH.

На внешней поверхности плазматической мембраны белки часто связаны с углеводами, то есть являются гликопротеинами.

75

Функции мембранных белков:

1.Регулируют структурное состояние мембраны.

2.Осуществляют трансмембранный перенос веществ.

3.Обеспечивают соединение мембраны с компонентами цитоске­ лета (белки анкирин, спектрин в эритроцитах).

4.Являются ферментами. Некоторые ферменты локализованы в определенных мембранах и могут служить маркерами этих

мембран:

5.

Ферменты —маркеры мембран

5.Участвуют в межклеточном взаимодействии.

6.Обеспечивают рецепцию внешних сигналов.

7.Выступают в роли антигенов (белок гликофорин в эритроцитах является носителем антигенов групп крови).

Углеводы мембран

Углеводы в составе мембран обнаруживаются только в соедине­ нии с белками (гликопротеины) или липидами (гликолипиды). В биоло­ гических мембранах может быть гликозилировано до 10 % белков и до 25 % липидов.

Углеводные компоненты преимущественно находятся на внешней стороне плазматической мембраны, встречаются также внутри полости эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи.

По строению углеводные цепи колеблются от простых моносаха­ ридов до сложных, разветвленных олигосахаридов. В их составе наибо­ лее часто встречаются следующие соединения: галактоза, глюкоза, аминосахара, нейраминовая кислота и ее производные.

Функции углеводов в составе гликопротеинов и гликолипидов мембран:

1.Участвуют в процессах межклеточного взаимодействия.

2.Определяют антигенную специфичность.

3.Обусловливают различия групп крови.

4.Являются рецепторами для связывания различных соединений (гормонов, токсинов и т. д.).

76

5. Стабилизируют положение белковых и липидных молекул в мембране.

Модели строения мембран

Первые представления о молекулярной организации биологиче­ ских мембран были высказаны еще в двадцатые годы прошлого столе­ тия. В 1925 году голландские исследователи Э.Гортер и Ф. Грендель высказали гипотезу, что клеточная мембрана представляет собой двой­ ной липидный слой, в котором гидрофильные группы липидных моле­ кул локализованы на поверхности бислоя, а углеводородные цепи жир­ ных кислот образуют его гидрофобную внутреннюю область.

Мысль о том, что в состав мембран входят белки впервые выска­ зали в 1935 году Д.Даниелли и Х.Давсон. В.соответствии с их гипотезой об общем принципе структурной организации клеточной мембраны, по­ следняя представляется как трехслойная структура, где двойной слой липидов заключен между двумя слоями белка.

В течение следующих десятилетий представления о структурно­ молекулярной организации мембран сильно менялись. Хотя не возника­ ло никаких сомнений в том, что основными компонентами являются липиды и белки, вопрос об их взаимном расположении стал предметом многочисленных дискуссий.

Современный взгляд на молекулярную организацию биологиче­ ских мембран начал формироваться в 70-х годах XX века. К этому мо­ менту накопилось достаточно много новых экспериментальных фактов, на основании которых американские ученые С.Синджер и Г.Николсон предложили в 1972 году жидко-мозаичную модель строения мембра­ ны.

Рис. Жидко-мозаичная модель СинджераНиколсона

В соответствии с этой моделью, структурной основой биологиче­ ских мембран является липидный бислой, в котором молекулы липидов находятся в жидкокристаллическом состоянии. Неполярные углеводо­ родные цепи жирнокислотных остатков направлены внутрь бислоя, а

7 7

полярные головки молекул липидов находятся на его поверхности, кон. тактируя с водой. В липидный бислой, имеющий вязкость растительно, го масла, погружены молекулы белков. В гидрофобной толще бисло* находится та часть белковой молекулы, которая содержит преимущест. венно неполярные аминокислоты, а участки, где преобладают полярные аминокислоты располагаются на поверхности липидного бислоя. В про. тивоположность прежним моделям, которые рассматривали мембраны как системы, состоящие из жестко фиксированных элементов, жидкомозаичная модель представляет мембрану как липидное «море», в кото­ ром «плавают айсберги» белков.

Таким образом, одним из основных постулатов этой модели является предположение о свободном движении молекул липидов и белков в фазе липидного бислоя. Однако позднее оказалось, что не все белки и липиды способны к свободному перемещению, в некоторых случаях их подвижность сильно ограничена.

Факторы, ограничивающие подвижность липидов и белков в мем­ бране:

1.Образование липидных доменов с более упорядоченной, плот­ ной упаковкой молекул липидов.

2.Способность мембранных белков к агрегации, образованию мультиферментных комплексов.

3.Гликопротеины и гликолипиды образуют на наружной поверх­ ности мембраны ажурную сетку - гликокаликс.

4.Белки со стороны внутренней поверхности мембраны связаны с белковыми нитями цитоскелета.

5.Прошивающие белки образуют сквозную решетку в мембране. Это привело к модификации жидко-мозаичной модели. Итак, био­

логическая мембрана —это липидный бислой, начиненный молекулами белка и заключенный в ажурный каркас —решетку.

В*м«t и-ащшыа,

оогрумциый а шмбраиу

Рис. Схематическое изображение плазматической мембраны клетки

78

решеточно-мозаичная модель отражает одно из главных свойств мбраны - гетерогенность ее механических свойств. Молекулы белка, *оторые связаны с каркасом, малоподвижны, те же белки, которые с К пкасом не связаны, могут относительно свободно перемещаться в

плоскости мембраны.

Следует помнить, что современные модели строения мембраны - эхо лишь упрощенное и схематичное отражение столь сложной и разно­ сторонней системы, какой является биологическая мембрана.

Свойства мембран

Общий принцип построения биологических мембран вовсе не оз­ начает их однородность. Мембранные системы не только у клеток раз­ ного типа, но и в пределах одной и той же клетки отличаются друг от друга как по содержанию и составу основных компонентов, так и по выполняемым функциям. Однако, для всех мембран характерны сле­ дующие общие свойства:

1.Мембраны - это ультратонкие пленочные структуры, образую­ щие сплошную перегородку. Протяженность мембран значи­ тельно превосходит их толщину.

2.Мембраны состоят в основном из липидов и белков. Углеводы, входящие в состав мембран, связаны с белками или липидами.

3.Мембраны —это надмолекулярные структуры. Входящие в их состав молекулы липидов и белков удерживаются вместе мно­ жеством взаимодействий, кооперативных по своему характеру.

4.Мембраны имеют амфифильную природу, так как входящие в их состав липиды и белки содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки. Обе поверхности мембраны гидрофиль­ ны, в то время как ее внутренняя область —гидрофобна.

5.Липиды в мембранах находятся в жидкокристаллическом со­ стоянии.

6.Мембраны характеризуются не жесткой, статичной структурой,

адинамичной, подвижной. Подвижность компонентов мембра­ ны определяется двумя видами движения: внутримолекулярным (например, вращение вокруг каждой С-С-связи в цепи остатка жирной кислоты) и межмолекулярным (латеральная диффузия и «флип-флоп»).

7.Мембраны асимметричны функционально и структурно. Функ­ циональная асимметрия проявляется в разделении мембранами внутриклеточного пространства на компартменты. Структурная - в расположении ее основных компонентов:

•углеводы — преимущественно на внешней поверхности мембраны;

79

•липиды —фосфатидилхолин и сфингомиелин преоблада­ ют в наружном молекулярном слое, а фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин преимущественно во внутреннем монослое. Со­ держание холестерина больше в наружном слое мембраны, чем во внутреннем;

•белки - пространственная ориентация белковой молекулы

влипидном бислое, как правило, является однозначной и различ­ ные белки занимают строго определенное положение в мембра­ нах. Например, периферические белки, связанные с компонентами цитоскелета локализованы на внутренней стороне плазматической мембраны; переносчики дыхательной цепи расположены зигзаго­ образно во внутренней мембране митохондрий (цитохром а3 - со стороны матрикса, цитохром с — со стороны межмембранного пространства).

Асимметрия мембраны создается под влиянием различных факто­

ров, например за счет действия ферментов липидного обмена и липидпереносящих белков, участвующих в метаболизме мембранных липи­ дов; различий ионного состава среды по обе стороны бислоя в условиях нативной клетки; особенностей строения молекул фосфолипидов; асимметричной локализации белков в липидах мембраны и т. д. Асим­ метрия бислоя является важным фактором, обеспечивающим создание градиента кривизны поверхности мембраны, образование складок, вези­ кул.

Биогенез мембран

Динамичность мембранных структур проявляется не только в способности к движению их отдельных компонентов (латеральная и по­ перечная диффузия молекул липидов и белков), но и в поддержании ди­ намичного равновесия в процессе онтогенеза. Формирование мембраны идет непрерывно, путем введения в ее новых составных частей, обнов­ ления компонентов, прежде всего липидов и белков. Биосинтез мем­ бран, как правило, начинается в эндоплазматическом ретикулуме, где образуется бблыная часть фосфолипидов, холестерина, белков. Затем образовавшиеся мембранные компоненты перемещаются к месту назна­ чения, например в плазматическую мембрану. В этом случае они после­ довательно проходят через аппарат Гольджи и цитоплазму, модифици­ руясь в соответствии со своим функциональным назначением (гликозилирование, процессинг и т. п.).

В течение всего времени существования живой клетки все моле­ кулы, входящие в состав мембран многократно обновляются. Время жизни и скорость обновления различных компонентов мембран неоди­ накова и зависит от интенсивности функционирования клетки. В сред-

80