Молекулярная биология клетки. Том 1

351

Рис. 6-2. Молекула фосфолипида фосфатидилхолина, представленная схематически (А), химической формулой (Б), в виде пространственной модели (В) и символом (Г). Чтобы отличить ненасыщенную цепь жирной кислоты от насыщенной, на этом рисунке (и далее везде) ненасыщенная цепь изображена с отчетливым изгибом. На самом же деле в ненасыщенной жирной кислоте жесткостью обладает только двойная связь. Вокруг всех одинарных связей возможно свободное вращение, поэтому в каждом липидном монослое обе цепи жирных кислот - как насыщенная, так и ненасыщенная - будут стремиться упаковаться параллельно.

Рис. 6-3. Фосфолипидная мицелла и фосфолипидный бислой в поперечном разрезе. Фосфолипидные молекулы самопроизвольно образуют подобные структуры в воде.

но 5 х 106 молекул липидов. Из этого следует, что в плазматической мембране небольшой животной клетки содержится около 109 молекул липидов. В клеточной мембране присутствуют липиды трех типов: фосфолипиды (наиболее распространенный тип), холестерол и гликолипиды. Все они представляют собой амфипатические молекулы, т. е. у них есть гидрофильный («любящий воду», или полярный) и гидрофобный («боящийся воды», или неполярный) концы. Типичная молекула фосфолипида изображена на рис. 6-2. Она имеет полярную голову и два гидрофобных углеводородных хвоста. Длина хвостов варьирует от 14 до

354

Рис. 6-8. Молекула холестерола, представленная в виде химической формулы (А), схематического изображения (Б) и в процессе взаимодействия с двумя фосфолипидными молекулами в монослое (В).

«замороженные» частицы. Поскольку в биологических мембранах в одной и той же липидной молекуле обычно содержится как насыщенная, так и ненасыщенная цепь жирной кислоты, в клетке такое разделение фаз невозможно.

Другим фактором, влияющим на текучесть мембраны, служит холестерол. Плазматические мембраны эукариот содержат довольно большое количество холестерола - приблизительно одну молекулу на каждую молекулу фосфолипида. Молекулы холестерола ориентируются в бислое таким образом, чтобы их гидроксильные группы примыкали к полярным головам фосфолипидных) молекул. При этом их жесткие, плоские стероидные кольца частично иммобилизуют участки углеводородных цепей, непосредственно примыкающих к полярным головам. Остальные части углеводородных цепей не утрачивают своей гибкости (рис. 6-8). Хотя холестерол делает липидный бислой менее текучим, при его высоких концентрациях (что характерно для большинства плазматических мембран эукариотических клеток), он предотвращает слипание и кристаллизацию углеводородных цепей. Таким образом, холестерол также ингибирует возможные фазовые переходы.

Холестерол уменьшает не только текучесть липидного бислоя, такое же действие он оказывает на его проницаемость для малых водорастворимых молекул. Кроме того, холестерол увеличивает упругость и механическую прочность бислоя. Именно благодаря холестеролу мембрана может менять свою форму в ответ на приложенную к ней силу. Дело в том, что в отличие от фосфолипидов, холестерол может быстро перераспределяться между монослоями. Объясняется это тем, что маленькая полярная голова холестерола (гидроксильная группа) относительно легко проходит через центр бислоя, энергетический барьер для флип-флоп молекул холестерола оказывается низким, и, следовательно, его перераспределение осуществляется быстро.

О важности холестерола для поддержания механической прочности мембран говорят данные по изучению мутантных линий животных клеток, не способных его синтезировать. При отсутствии холестерола в культуральной жидкости такие клетки быстро лизируются (разрываются с высвобождением их содержимого). Добавленный в среду холестерол встраивается в плазматическую мембрану, тем самым стабилизируя липидный бислой; в результате клетки выживают.

Определенная текучесть плазматической мембраны имеет важное

355

биологическое значение. Об этом свидетельствует тот факт, что бактерии, дрожжи и другие пойкилотермные организмы, принимающие температуру окружающей среды, изменяют жирнокислотный состав своих плазматических мембран таким образом, чтобы текучесть мембраны оставалась примерно постоянной. Например, при падении температуры начинают синтезироваться жирные кислоты с большим числом цис- двойных связей, для того чтобы предотвратить уменьшение текучести бислоя, которое может при этом произойти. Было показано, что некоторые процессы мембранного транспорта приостанавливаются и определенные ферментативные активности исчезают как только вязкость бислоя превышает некое пороговое значение. Остается установить, какие именно процессы, связанные с мембранами, наиболее сильно зависят от текучести бислоя.

6.1.4. Липидный бислой служит растворителем для мембранных белков [5]

Липидные составы различных биологических мембран сравниваются в табл. 6-1. Плазматические мембраны бактерий обычно имеют фосфолипид только одного типа и не содержат холестерол; в отсутствие холестерола механическая прочность обеспечивается окружающей клеточной стенкой (см. рис. 5-54). В то же время в большинстве плазматических мембран эукариотических клеток имеется не только значительное количество холестерола, но и множество различных фосфолипидов. Например, в плазматической мембране многих животных клеток обнаруживаются четыре основных фосфолипида: фосфатидилхолин, сфингомиелин, фомфатидилсерин и фосфатидилэтаноламин. Структуры этих молекул приведены на рис. 6-9; отметим, что из них только фосфатидилсерин имеет отрицательный заряд, а остальные три при физиологических рН оказываются электрически нейтральными. Эти четыре фосфолипида вместе составляют более половины всей массы липидов для большинства мембран (табл. 1-6). Другие фосфолипиды, такие, как инозитолфосфолипиды (см. разд. 12,3.9), тоже важны в функциональном отношении, но представлены в относительно малых количествах. Исключительная роль инозитолфосфолипидов в передаче клеточных сигналов обсуждается в гл. 12.

Таблица 6-1. Примерный липидный состав различных клеточных мембран

356

Рис. 6-9. Формулы и символы четырех главных фосфолипидов, содержащихся в плазматических мембранах. Обратите внимание, что различные полярные головы обозначены разными символами (на этом и следующем рисунке). Все представленные липидные молекулы построены на основе глицерола, за исключением сфингомиелина, происходящего от серина. Структура и формула церамида представлены на рис. 6-11.

Возникает вопрос; с чем связано такое разнообразие фосфолипидов в плазматических мембранах эукариот? Возможно, липидный бислой является двумерным растворителем для белков в составе мембраны, подобно тому как вода служит трехмерным растворителем в водном растворе. Можно предположить также, что некоторые мембранные белки функционируют только в присутствии специфических фосфолипидных полярных групп, напоминая в этом отношении многие ферменты, для активирования которых в водном растворе необходим какой-либо определенный ион. Это предположение подтверждается данными о том, что в искусственных липидных бислоях для оптимальной активности функционирующих мембранных белков требуются определенные специфические фосфолипиды.

6-5

6-6

6.1.5. Липидный бислой асимметричен [6]

Во всех изученных плазматических мембранах две половины бислоя поразительно различаются по липидному составу. Например, в мембране эритроцитов человека большинство липидных молекул, оканчивающихся холином (СН3 )3 N+ СН2 СН2 ОН - т. е. фосфатидилхолин и сфингомиелин, располагаются во внешней половине бислоя, а основная часть фосфолипидов, несущих на конце аминогруппу (фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин), - во внутренней (рис. 6-10). Хвосты жирных кислот, входящих в состав фосфатидилхолина и сфингомиелина более насыщенны, чем те, которые находятся в составе фосфатидилэтаноламина и фосфатидилсерина. В связи с этим асимметрия в распределении полярных голов сопровождается асимметрией распределения углеводородных хвостов. Это может привести к тому, что текучесть внутреннего монослоя будет несколько больше, чем внешнего. Известно также, что отрицательно заряженный фосфатидилсерин локализован во внутренней половине бислоя; следовательно, две стороны бислоя существенно различаются и по заряду.

357

Рис. 6-10. Асимметрическое распределение фосфолипидов и гликолипидов в липидном бислое эритроцитов человека. Символы, используемые для обозначения фосфолипидов, те же, что и на рис. 6-9. Полярные головы гликолипидов изображены в виде шестиугольников. Холестерол (не показан), по-видимому, распределяется между монослоями примерно одинаково.

Большинство мембран эукариотических клеток, включая плазматическую мембрану, синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР). Это значит, что асимметрия в распределении фосфолипидов является следствием работы транслокаторов фосфолипидов в ЭР, которые переносят специфические молекулы фосфолипидов из одного монослоя в другой (см. разд. 8.6.14). Несмотря на то что функциональный смысл асимметричного распределения липидов во многом непонятен, показано, что существуют мембраносвязанные ферменты, использующие этот феномен. Например, при активации протеинкиназы С она связывается с цитоплазматической стороной плазматической мембраны, где концентрируется фосфатидилсерин - отрицательно заряженный фосфолипид, необходимый для работы фермента (см. разд. 12.3.10). Важность существования специфических инозитолфосфолипидов, сконцентрированных на цитоплазматической стороне бислоя, где они могут использоваться для генерации внутриклеточных медиаторов в ответ на внеклеточные сигналы, обсуждается в гл. 12.

6.1.6. Гликолипиды обнаруживаются на поверхности всех плазматических мембран, однако их функция неизвестна [7]

В плазматических мембранах животных клеток наиболее асимметрично распределены липидные молекулы, принадлежащие к классу олигосахаридсодержащих липидов, называемых гликолипидами. Эти удивительные молекулы обнаруживаются только в наружной половине бислоя, а их сахарные группы ориентированы к поверхности клетки (рис. 6-10), что свидетельствует об участии данных молекул во взаимодействии клетки с ее окружением. Асимметричное распределение гликолипидов в бислое создается при присоединении сахарных остатков к молекулам липидов, происходящем в цистернах аппарата Гольджи.

Гликолипиды, вероятно, присутствуют в плазматических мембранах всех животных клеток и составляют обычно около 5% липидных молекул наружного монослоя. Они сильно различаются у разных видов и даже в разных тканях одного и того же вида. У бактерий и растений почти все Гликолипиды - это производные липидов на основе глицерола, например, широко распространенного фосфатидилхолина. В животных клетках Гликолипиды построены на основе церамида, каковым является, например, фосфолипид сфингомиелин (см. рис. 6-9). Структура гликосфинголипидов в целом аналогична структуре фосфолипидов, образованных из глицерола. Они также имеют полярную голову и две гидрофобные цепи жирных кислот. Однако одна из цепей жирных кислот первоначально соединяется с серином, образуя аминоспирт сфингозин, с которым затем связывается вторая цепь жирной кислоты, образуя церамид (рис. 6-11).

Все гликолипидные молекулы различаются по числу сахарных остатков в их полярных головах. Среди множества гликолипидов

плазмати-

358

Рис. 6-11. Заключительные этапы биосинтеза простого гликосфинголипида - галактоцереброзида. Сфингозин образуется при конденсации аминокислоты серина с одной молекулой жирной кислоты. Затем присоединяется вторая молекула жирной кислоты. При этом образуется церамид. Синтез церамида идет в ЭР, а углевод присоединяется в аппарате Гольджи. Церамид используется и при синтезе основного фосфолипида - сфингомиелина (см. рис. 6-9).

Рис. 6-12. Структура сиаловой кислоты (N-ацетилнейраминовой кислоты, или NANА). В клетках она существует, как изображено на рисунке, в ионизованной форме (—СОС-).

ческих мембран эукариотических и прокариотических клеток можно выделить группу нейтральных гликолипидов. Их полярные головы содержат от 1 до 15 и более нейтральных (незаряженных) Сахаров, в зависимости от организма и типа клеток. Пример - галактоцереброзид, один из простейших гликолипидов, полярная голова которого состоит только из одной галактозы. Галактоцереброзид - это главный гликолипид миелина, многослойной мембранной оболочки, окружающей аксоны. Миелин представляет собой плазматическую мембрану специализированной миелинообразующей клетки, уложенную в виде множества концентрических слоев вокруг нервного волокна. Отличительная особенность этих клеток заключается в высоком содержании галактоцереброзида в их плазматической мембране (до 40% массы наружного монослоя). В мембранах других клеток галактоцереброзида мало. Это. возможно, означает, что он играет важную роль в специфическом взаимодействии миелинообразующей клетки и аксона.

Самые сложные из гликолипидов - ганглиозиды - содержат один или более остатков сиаловой кислоты (N-ацетилнейраминовой кислоты, или NANA), которые придают молекулам ганглиозидов отрицательный заряд (рис. 6-12). Особенно много ганглиозидов содержится в плазматической мембране нервных клеток, где они составляют 5-10% от общей массы липидов, однако в большинстве типов клеток они встречаются в гораздо меньших количествах. В настоящее время идентифицировано

359

Рис. 6-13. Некоторые типичные ганглиозиды и их структурные обозначения. В GM1, GM2, GM3, GD1, GT1, буквы M, D и Т обозначают число остатков сиаловой кислоты -один, два и три соответственно, а цифры 1, 2 и 3 представляют собой разность, полученную вычитанием числа незаряженных углеводных остатков из 5. NANA-N-ацетилнейраминовая (сиаловая) кислота, Gal-галактоза, Glc-глюкоза, GalNAc-N-ацетилгалактозамин. GaJ, Glc и GalNAc не заряжены, a NANA несет отрицательный заряд (см. рис. 6-12).

более 40 различных ганглиозидов. Некоторые из них представлены на рис. 6-13, где приводится и номенклатура, используемая для описания этих соединений.

О функциях гликолипидов известно мало. Установлено, например, что ганглиозид GM1 (рис. 6-13) действует как поверхностный рецептор для бактериального токсина, вызывающего изнурительный понос при холере. Холерный токсин, связывается с поверхностью и попадает внутрь только тех клеток, у которых в плазматической мембране присутствует GM1 (к ним относятся, например, эпителиальные клетки кишечника). Проникновение холерного токсина внутрь клетки приводит к долговременному увеличению концентрации внутриклеточного сАМР, которое обусловливает сильный приток Na+ и воды внутрь кишечника. Конечно, связывание бактериальных токсинов не может быть нормальной функцией ганглиозидов. Можно предположить, что они выступают в роли рецепторов для определенных медиаторов, осуществляющих нормальную связь между клетками.

Заключение

Биологические мембраны состоят из непрерывного двойного слоя липидных молекул с погруженными в него различными белками. Липидный бислой представляет собой жидкость, в которой отдельные молекулы липидов способны быстро диффундировать в пределах своего монослоя, но чрезвычайно редко спонтанно перемещаются из одного монослоя в другой. Мембранные липиды - амфипатические молекулы и в водной среде самопроизвольно образуют бислой. Эти бислой самоорганизуются в закрытые компартменты, которые способны самопроизвольно восстанавливаться при повреждениях. В плазматической мембране имеются три основных класса липидных молекул - фосфолипиды, холестерол и гликолипиды, причем составы внутреннего и наружного монослоев отличаются друг от друга. Разный липидный состав характерен как для плазматических мембран различных типов клеток, так и для разных мембран одной и той же эукариотической клетки. Функциональное значение различных компонентов разных мембран в большинстве случаев остается неизвестным.

360

6.2. Мембранные белки

Хотя основные структурные особенности биологической мембраны определяются свойствами липидного бислоя, большинство их специфических функций осуществляется белками. Вот почему типы белков и их количества в мембране сильно варьируют: в миелиновой мембране, которая служит преимущественно для изоляции аксонов, Белки составляют менее 25% массы мембраны, а в мембранах, связанных с процессами превращения энергии (например, во внутренних мембранах митохондрий и хлоропластов) на их долю приходится около 75% массы мембраны. В обычной плазматической мембране количество белков равно приблизительно половине ее массы, т. е. значение этого показателя среднее между указанными выше крайними величинами. Поскольку размер липидной молекулы весьма мал по сравнению с размерами молекулы белка, можно сделать вывод, что в мембране всегда содержится значительно больше молекул липидов, чем белков. Например, если белки составляют 50% массы мембраны, то на одну молекулу белка приходится приблизительно 50 липидных молекул.

6-10

6-11

6.2.1. Полипептидная цепь многих мембранных белков пронизывает липидный бислой один или несколько раз [8]

Многие мембранные белки пронизывают бислой насквозь (пример 1 и 2 на рис. 6-14). Подобно их липидным соседям эти, так называемые трансмембранные белки, обладают амфипатическими свойствами: у них есть гидрофобные участки, проходящие через мембрану и взаимодействующие с гидрофобными хвостами липидных молекул внутри бислоя, и гидрофильные участки, обращенные к воде с обеих сторон мембраны. Гидрофобность некоторых мембранных белков увеличивается за счет ковалентного присоединения цепи жирной кислоты, которая внедряется в бислой с его цитоплазматической стороны (примеры 1 и 2 на рис. 6-14). Некоторые внутриклеточные мембранные белки присоединены к бислою только с помощью цепи жирной кислоты (пример 3 на рис. 6-14), есть и такие поверхностные белки, которые ассоциированы с бислоем за счет ковалентных взаимодействий (через специфический олигосахарид) с фосфатидилинозитолом - минорным фосфолипидом, находящимся во внешнем липидном монослое плазматической мембраны (пример 4 на рис. 6-14).

Рис. 6-14. Пять способов ассоциации мембранных белков с липидным бислоем. Трансмембранные белки пронизывают бислой в виде одиночной α- спирали (1) или нескольких α-спиралей (2). Некоторые из таких белков (1 и 2) имеют присоединенную ковалентно цепь жирной кислоты, погруженную в цитоплазматический монослой (1). Другие мембранные белки ассоциируют с бислоем только за счет ковалентно присоединенного к ним липида - либо цепи жирной кислоты, погруженной в цитоплазматический монослой (3), либо, гораздо реже, через фосфолипид фосфатидилинозитол, погруженный во внешний монослой и соединенный с белком через олигосахарид (4). Наконец, многие белки ассоциируют с мембраной только благодаря нековалентным взаимодействиям с другими мембранными белками (5). Детали обсуждаются в гл. 8.