bkh_dlya_tebya

Глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды (сфингомиелин), гликосфинголипиды (церебразиды и ганглиозиды) и холестерол. Все, кроме холестерола имеют два гидрофобны своста (у глицероФЛ это две жирные кислоты, а у сфинголипидов это жирная кислота плюс хвост сфингозина) и полярную головку (у фосфолипидов это серин, этаноламин и холин, но не только, а у гликосфинголипидов это углеводы), поэтому на схеме все эти липиды изображены как головка с двумя ножками, а вот холестерол изображён как холестерол. Надо заметить, что у липидов мембраны есть заметная асиметрия. Во-первых, холестерол располагается только в наружному слое, чтобы его могли забирать ЛПВП, во-вторых, во внутреннем слое (тот, что обращён внутрь клетки, а не наружу) фосфолипиды имеют маленькие головки, типа этаноламина в основном, а в наружном слое у них более широкие головки типа холина, потому что площадь поверхности внутреннего слоя меньше (он вогнутый), а наружного больше (он выпуклый), поэтому в последнем можно располагать более широкие головки. Каковы функции и задачи липидов в мембране? Во-первых, формируют основу мембраны – билипидный слой, во-вторых, обеспечивают текучесть (длинные

и ненасыщенные радикалы) и жёсткость (холестерол) мембраны, в-третьих, формируют барьер (через билипидный слой не может проникнуть большинство полярных молекул, а заряженные вообще никогда), в- четвёртых, билипидный слой помогает закрепляться/заякореваться белкам в мембране, плюс липиды помогают некоторым белкам формировать нативную структуру, например, трансмембранный белок (интегральный) в нативной структуре должен иметь трансмембранный гидрофобный домен, который может существовать только в мембране. Ну ещё липиды выполняют регуляторную роль – вспомните ФИФ2 и арахидоновую кислоту. Ещё надо сказать, что гликосфинголипиды формируют гликокаликс, выполняющий защитную функцию.

Белки. Сначала надо сказать про классификацию. Белки бывают интегральные (насквозь проходят мембрану, те их части, что торчат из мембраны, сформированы гидрофильными радикалами аминокислот, а та

212

часть, что в мембране – гидрофобными), полуинтегральные (проникают в мембрану, но не проходят насквозь, та часть, что в липидном слое прячется, представлена гидрофобными радикалами аминокислот, а та часть, что торчит из мембраны – гидрофильными) и поверхностные (вся поверхность гидрофильная, но они заякорены в мембране, например, поверхностный белок ковалентно связан с другим белком или гликосфинголипидом через углеводый компонент, также к белку может быть присоединена жирная кислота, которая будет вставлена в билипидный слой, так как она гидрофобная, ещё вариант – одна сторона имеет отрицательный заряд, а мембрана положительный – притягиваются). Часто мембранные белки бывают гликозилированы, чтобы защищаться от ферментов и взаимодействовать с иммунной системой. Если липиды обусловлевают структуру мембраны, то белки обусловливают функции мембраны, а именно: осуществляют транспорт молекул через мембрану, катализируют различные ферментативные реакции, участвуют в печедаче гормонального сигнала (рецепторы, G-белки, аденилатциклазы, гуанилатциклазы, фосфодиэстеразы, фосфолипазы С и А2 и так далее), связываются с цитоскелетом, осуществляют межклеточные взаимодействия.

Теперь немного обобщим сказанное и озвучим основные функции и свойства мембран. Свойства:

•полупроницаемость,

•текучесть,

•динамичность,

•асиметричность.

Разберём каждое. Полупроницаемость – через мембрану проникает только то, что нам нужно. Это формируется за счёт того, что через липидный слой не может проникнуть ничто, кроме неполярных веществ (гормоны на основе холестерола, билирубин непрямой, кислород и тд) и мелких полярных молекул (мочевина, углекислый газ), заряженные вообще никак не пройдут, но посреди липидов есть белки, которые позволяют проникать веществам в клетку, но только строго определённым (белковые переносчики крайне специфичны), за счёт такого сочетания через мембрану проникает в основном только то, чего мы захотим. Текучесть мы уже разбирали выше (диффузия молекул делает вещество жидким и подвижным, диффузия латеральная, вращательная, флип-флоп), обусловлена длинными радикалами жирных кислот и двойными связями в них. Динамичность означает, что мембрана довольно быстро обновляется. Асиметричность мы уже обсуждали – фосфолипиды на наружнем слое мембраны имеют головки побольше, ибо и площадь там побольше, в наружной же мембране есть холестерол, ибо только снаружи его могут забирать ЛПВП, белки тоже имеют строго определённое положение в мембране в связи с выполняемыми ими

213

функциями. Если бы мембрана была одинаковой со всех сторон, то функций

у неё было бы мало, а так она разная со всех сторон, вот и функций разных больше. Иногда дополнительно выделяют два свойства: замкнутость и самосборка. Они заключаются в том, что липиды, попавшие в раствор, сами складываются в что-то вродемембран, ибо гидрофобные части прячутся от воды и тянутся друг к другу. Мембраны всегда замкнуты, почему? Если бы мембрана была незамкнута, как отрезок ткани, у неё бы по бокам обнажались гидрофобные участки, которые должны прятаться от воды, если мембрана замкнута, то таких краёв не существует. Функции мембран: барьерная, транспортная, ферментативная, регуляторная/сигнальная, электрическая и АТФ-синтетическая, контактная. С барьерной функцией всё понятно – мембраны разграничивают внеклеточную жидкость и цитоплазму, цитоплазму и кариоплазму, цитоплазму и содержимое органел, при этом мембрана позволяет этим средам иметь разный состав и не смешиваться, так как мембраны полупроницаемы. Транспортная функция – так как мембрана делает границу, она же должна и провозить все необходимые вещества через эту границу. С ферментативной функцией вроде всё понятно. Регуляторная и сигнальная – мембраны через рецепторы воспринимают гормоны и передают через ряд белков их сигнал в клетку, усиливая его. Электрическая функция – подвид транспортной – специальные белки поддерживают градиенты концентраций ионов, выкачивая их из одного места в другое, что помогает формировать, например, мембранный потенциал покоя в клетках (привет физиологии). И особая функция мембран

– синтез АТФ – вспоминайте ЦПЭ. Контактная – межклеточные взаимодействия.

Мембраны в клетках разные бывают, можно выделить

•цитоплазматическую,

•митохондриальную,

•ядерную и

•органельную.

Цитоплазматическая мембрана самая многофункциональная: она контактирует с другими клетками, очень выражена барьерная и транспортная функции, в ней немало ферментов, плюс регуляторная и электрическая функции почти полностью лежат на цитоплазматической мембране, ибо та разграничивает две самые главные среды – клеточную и внеклеточную. Органельные мембраны выполняют не так много функций, они нужны в основном для разграничения сред цитоплазмы и органелы и ещё мембраны выполняют немного ферментативную и транспортную функцию (обмен веществами-то всегда есть). Митохондриальные мембраны выполняют барьерную функцию, особо активно выполняют транспортную функцию (у митохондрии особое место в обмене веществ) и АТФ-

214

синтетическую. Ядерная мембрана стоит особняком, она обеспечивает барьер между карио- и цитоплазмой, выполняет сигнальную и транспортную функции.

Одну из функций мембран мы должны изучить детально – транспортную. 4 основных вида транспорта веществ в клетках:

•простая диффузия,

•облегчённая диффузия,

•активный транспорт,

•везикулярный транспорт.

Простая диффузия. Что вообще называют диффузией? Если попростому, то взаимопроникновение веществ. Почему простая? Потому, что не требует никаких приспособлений – вещества свободно проходят через мембрану по градиенту концентрации, т.е. из области большей концентрации в область меньшей, процесс самопроизвольный и затрат энергии не требует. Кто способен проходить через билипидный слой без всяких переносчиков? Во-первых, это неполярные молекулы, которые способны растворяться в липидах, типа гормонов на основе холестерола (кортикостероиды и половые гормоны), билирубин непрямой, кислород и другие, во-вторых, полярные, но мелкие незаряженные молекулы, типа углекислого газа, мочевины и тд. Заряженные и крупные полярные молекулы никак не пройдут через билипидный слой, потому что он для гидрофобов.

Облегчённая диффузия. Так как крупные полярные молекулы и заряженные всех размеров не могут пройти через билипидный слой, им нужны белки-переносчики. Облегчённая диффузия тоже происходит по градиенту концентраций, т.е. молекулы пассивно движутся из области большей концентрации в область меньшей без затрат энергии. Существует два типа переносчиков для облегчённой диффузии: транслоказы и каналы. Оба белка, поскольку осуществляют перенос из одной среды в другую, контактируют с внеклеточной жидкостью и цитоплазмой (в этих участках они покрыты гидрофильными аминокислотами), а часть их прошивает мембрану (снаружи этот участок покрыт гидрофобными аминокислотами). Теперь разберёмся конкретно в этих переносчиках. Транслоказы имеют центр связывания с транспортируемой молекулой, причём он имеет высокую специфичность, если к нему присоединяется транспортируемая молекула (вне клетки, допустим), белок меняет конформацию, центр связывания переползает с одной стороны мембраны на другую, молекула высвобождается (и попадает в цитоплазму), теперь центр связывания свободен, конформация восстанавливается, центр возвращается на другую сторону мембраны и готов принимать новые молекулы. Несмотря на

215

окончание –аза в названии, транслоказы это не ферменты. Если транслоказа переносит только один тип молекул, её называют пассивным унипортом (пассивный, так как мы обсуждаем облегчённую диффузию), если транслоказа переносит два вещества в одну сторону, её называют пассивный симпорт, а если в разные стороны, то пассивный антипорт. Второй тип переносчиков – каналы. Обычно они переносят воду и ионы, каналы имеют в прямом смысле канал/тонель, через который проходят вещества, однако у этого канала есть определённый диаметр и аминокислотный состав, которые определяют пропускную способность канала. У каналов широкая классификация. Во-первых, по пропускной способности каналы делятся на селективные (пропускают строго определённые ионы) и неселективные (пропускают всё, что проходит по диаметру канала). Во-вторых, каналы по воротам делятся на воротные (есть цепь, которая перекрывает канал, она может менять свою конформацию и открывать канал при определённом воздействии, ворота бывают от одного до двух) и безворотные (открыты всегда). В-третьих, воротные каналы должны активироваться, чтобы открыться, в зависимости от того, чем они активируются, их делят на лигандзависимые (активация присоединением хим вещества), потенциалзависимые (реагируют на изменение МПП мембранного потенциала покоя) и механозависимые (реагирует на определённые смещения, давление). В-четвёртых, лигандзависимые каналы в синапсах делятся на метаботропные (рецептор находится на удалении от активируемого канала, реагируют с задержкой) и ионотропные (рецептор на самом канале, реакция очень быстрая).

А что, если какие-то вещества надо переносить против их градиента концентрации? Например, натрия вне клетки больше, чем в ней, а мы всё равно выкачиваем его из клетки. По своей воле против градиента натрий не пойдёт – надо сообщить ему энергию, а источник энергии – АТФ. Если переносчик вещества сам гидролизует АТФ, то это называют первично активным транспортом, а если АТФ тратится не самим переносчиком вещества, а другим, то это вторично активный транспорт (на примере будет понятнее). Разберём функционирование первично активного транспорта на примере Na/K-АТФазы. На рисунке мембрана, в ней белок-переносчик на разных стадиях своей работы (смотрим слева направо), над мембраной внеклеточное пространство, под мембраной цитоплазма (это важно – не перепутайте). С внутренней строны к переносчику подходит три иона натрия, связываются с белком, тот меняет конформацию, сам себя фосфорилирует, в результате чего ещё больше меняет конформацию и передвигает свои створки, натрий оказывается вне клетки, он выходит, приходит калий, соединяется с определёнными центрами, меняет конформацию белка, тот дефосфорилирует себя, чем ещё больше меняет конформацию и передвигает створки, передвигая калий в клетку. Затем цикл повторится. И

216

калий, и натрий движутся против градиента концентрации, поэтому приходится тратить АТФ.

Этот пример важно знать, но есть и другие транспортёры с немного другими механизмами. А как же работает вторично активный транспорт? Пример. Глюкоза в почках из первичной мочи всасывается вторично активным транспортом симпортом с натрием, т.е. натрий из-за высокого градиента концентраций (вне клетки много, в клетке мало) хочет войти в клетку, а глюкоза не хочет заходить (ей-то придётся идти против градиента), поэтому белок-переносчик разрешает войти натрию но только при условии, что тот прихватит за собой глюкозу, при этом переносчик сам АТФ не тратит, но, чтобы у натрия был градиент концентраций и он мог толкать этот переносчик глюкозы, его надо постоянно выкачивать из клетки выше описанной Na/K-АТФазой, которая тратит АТФ – вот это вторично активный транспорт.

Для особо крупных молекул придуман пиноцитарный транспорт – эндоцитоз (вещество окружается мембраной, которая затем замыкается, отшнуровывается и превращается в пузырёк, вещество входит в клетку в пузырьке - везикуле) и экзоцитоз (пузырёк присоединяется к мембране, сливается с ней и выталкивает содержимое из клетки). Но это может происходить не на любом участке мембраны – есть специальные участки, на которых есть рецепторы для веществ, нуждающихся в эндоцитозе, под мембраной в этих участках есть белки, участвующие во впячивании и отшнуровывании мембраны.

Теперь обсудим метаболизм мембран. Метаболизм – это совокупность анаболизма (синтез) и катаболизма (распад). Начнём с анаболизма. Липиды синтезируются в цитоплазме, собираются в ЭПР, включаются в его мембрану, наращивая её, в ЭПР же синтезируются белки, они втраиваются в нарощенную новыми липидами мембрану, после чего нарощенная мембрана новая отшнуроывается от ЭПР в форме пузырика (везикулы), отправляется в комплекс Гольджи, если её надо модифицировать, после этого везикула может встроиться в любую

217

мембрану, которую необходимо обновить. А что касается катаболизма? Вопервых, липиды и белки периодически разрушаются ферментами, если они повреждены, во-вторых, в липидах протекает перекислное окисление липидов, которое приводит к разрушению ненасыщенных жирных кислот и белков мембран.

Свободнорадикальное окисление

Теперь поговорим о свободнорадикальном окислении и конкретно о перекисном окислении липидов ПОЛ. Что такое свободный радикал? Это молекула, атом которой имеет орбиталь с неспаренным электроном (для стабильности и уравновешенности на каждой орбитали всегда должно быть по два электрона или и вовсе не должно быть), свободные радикалы невероятно реактивны, они стремятся отжать у кого-нибудь электрон, чтобы заполнить свою орбиталь и перестать быть радикалом. Что такое окисление? Это процесс потери электронов. То есть свободно радикальное окисление – это потеря молекулами электронов в результате действия свободных радикалов и превращение этих молекул в новые свободные радикалы, т.е. цепной неферментативный процесс. Цепной, потому что если один свободный радикал заберёт электрон у молекулы, то та превратится в новый радикал, который атакует следующую молекулу – цепной процесс. Одна из разновидностей свободных радикалов, точнее основной вид, это активные формы кислорода АФК. АФК – соединения кислорода, способные вызывать свободно радикальное окисление (в частности перикисное окисление липидов ПОЛ). Разберёмся в АФК. Источником АФК являются прооксиданты,

о которых мы поговорим позже. На рисунке ниже показана цепь превращения АФК.

На кислород из одного из перечисленных источников попадает электрон, одна из связей в молекуле кислорода рвётся, образуются две орбитали (изначально на каждой орбитали было по одному электрону, но эти орбитали были объединены, поэтому получалось 2 электрона на одну большую орбиталь), на одной 2 электрона, поэтому около того атома ставим заряд -1 (мы ж добавили электрон, отрицательную частицу, к нейтральной

218

молекуле), а на другой 1 электрон – вот это уже свободный радикал – получился супероксид-анион, если к нему прибываить электрон (его он заберёт у первой попавшейся ему на пути молекулы) и два протона, получится перекись водорода. Если супероксид-анион являлся и АФК, и свободным радикалом, то перекись водорода это АФК, но не свободный радикал, так как не имеет орбитали с неспаренным электроном, но почему мы её тогда называем АФК? А потому, что перекись водорода легко реагирует с металлами переходной валентности, например, железо +2 отдаст электрон перекиси и перейдёт в железо +3, а перекись разломится на гидроксид-ион (не АФК) и гидроксильный радикал (самый реактивный радикал), далее они все превращаются в воду. Одна из главных жертв свободно радикального окисления – липиды, а именно, ненасыщенные жирные кислоты, такое окисление липидов называют перикисным окислением липидов ПОЛ. ПОЛ – неферментативный цепной последовательный процесс свободнорадикального окисления липидов, инициируемый АФК. Давайте подробно разберёмся в ПОЛ.

В ПОЛ условно выделяют три периода: инициацию, развитие цепи, обрыв цепи. Цепь в смысле цепь реакций. В момент инициации жирная кислота под действием АФК (чаще всего АФК) превращается в липидный радикал. В развитии цепи к липидному радикалу присоединяется кислород, образуется перекисный липидный радикал, тот реагирует с другой жирной кислотой, которая превращается в новый липидный радикал, который повторяет реакции развития цепи, а перекисный липидный радикал превращается в перекись. Так происходит ПОЛ – всего один свободный радикал может повлечь превращение множества жирных кислот в липидные перекиси. Это могло бы идти до бесконечности, но есть третий этап – обрыв

219

цепи. Обрыв цепи может быть случайным, когда два радикала нейтрализуют друг друга, а может быть обусловленным действием антиоксидантов, т.е. целенаправленно, в пример на рисунке работа витамина Е (радикалы этого витамина не вызывают свободнорадикальное окисление). Обрыв цепи так называется потому, что после него не образуется свободных радикалов, которые могли бы продолжить ПОЛ. Окисляются только ненасыщенные жирные кислоты, на рисунке ниже этот процесс детализирован.

Вот эти реакции, в отличии от тех, что были до этого, запоминать не надо – они для наглядности. Помимо стадий, в ПОЛ можно выделить этапы разрушения. Первый этап – образование перекисей липидов, которые вообще-то полярны, а жирные кислоты в таких местах не должны быть полярны – это повышает проницаемость мембраны. Второе последствие – распад перекисей липидов на альдегиды (см. рисунок выше), при этом разрушается сам липидный слой мембран и наступает третье последствие – малоновый альдегид (3 углерода) реагирует с аминогруппами белков, образуя Шифовы основания и выводя белки из строя.

220