фермента белок

Фосфагидная кислота

Схема строения цито-плазматической мем­браны и основные группы мембранных белков

Фермент (например, протеинкиназа) I Фосфатид Регуляторная. .Структурный

(Лецитин и др.) субъединица белок фермента

липид — белок, белок — белок. Толщина биомембран не пре­вышает 6—10 нм.

В состав мембран входят белки, выполняющие функции ферментов, насосов, переносчиков, ионных каналов, а также белки-регуляторы и структурные белки (рис. 1.2).

Интегральные белковые глобулы располагаются в фосфоли-пидных слоях мембран ориентированно. Эта ориентация определяется особенностями гидрофобной поверхности каждого белка, локализацией и свойствами его гидрофильных участ­ков. Определенные участки липопротеиновых глобул (участки узнавания) служат для самосборки полиэнзимных мембранных комплексов. На положение белков в мембране оказывают влияние состав фосфолипидов, прочно связанных с глобулами, состояние «свцбодных» фосфолипидов двойного слоя, а также величина электростатического заряда мембраны. Функциональ­ная активность мембран и изменения мембранного потен­циала сопровождаются всплыванием или погружением субъеди­ниц, их латеральными перемещениями. Предполагается, что такое перемещение белков в мембране может быть ограничено их связью с микрофиламентами и микротрубочками.

Функции биологических мембран. Лабильная структура мембран позволяет выполнять им различные функции: барьер­ные, транспортные, осмотические, электрические, структурные, энергетические, биосинтетические, секреторные, пищеваритель­ные, рецепторно-регуляторные и некоторые другие. Первич­ным назначением клеточной мембраны было отделение внутренней среды от внешней. Затем в процессе эволю­ции возникло большое количество специализированных внутри­клеточных отсеков (компартментов), что позволило клетке и органоидам удерживать в небольших объемах необходимые Ферменты и метаболиты, создавать гетерогенную физико­

химическую микросреду, осуществлять на разных сторонах мембраны разнообразные, иногда противоположно направлен- ''" ные биохимические реакции.

;) -о •

Но одновременно с появлением фосфолипидных мембран­ных барьеров должны были возникнуть и механизмы трансмембранного переноса ионов, субстратов, мета­болитов, которые в ходе эволюции постоянно усложнялись. В живых клетках различают пассивный (по химическому и электрическому"градиентам) и активный (против электро­химического градиента с затратой метаболической энергии) транспорт. Пассивный транспорт осуществляется: а) через фосфолипидную фазу, если вещество растворимо в липидах, б) по промежуткам между липидами, если такие промежутки появляются, в) с помощью липопротеиновых переносчиков, г) по специализированным каналам, образованным липо-протеиновыми комплексами (натриевые, калиевые и другие каналы). Сахара, аминокислоты и некоторые другие субстраты могут переноситься специальными переносчиками в симпортё (т. е. совместно и в ту же сторону) с ионами Н⁺ (у • бактерий, грибов и растений) или с Na⁺ (у животных), причем основной движущей силой в этом случае является градиент ионов, а не субстрата. Возможен также активный транспорт Сахаров в фосфорилированном и нефосфорилиро-ванном виде. Перенос ионов против электрохимического градиента, т. е. активный транспорт, осуществляется транспорт­ными АТРазамй^с испш№з6Жнием энергии АТР. Известны К ⁺ , Na^ATPa3a, Н⁺-АТРаза, Са^{2 +}-АТРаза, анионная АТРаза. Активный транспорт ионов Н⁺ может поддерживаться и за счет энергии NADH, NADPH или других окисляющихся соединений участками редокс-цепи. Перенос ионов Н⁺ через биологические мембраны с использованием АТР или NAD(P)H получил название протонной помпы (Н ⁺ -помпы, или Н ⁺ -насоса).

Н ⁺-помпа так же важна для жизнедеятельности расти- тельных клеток, как и Na ⁺-помпа у животных. Она участ- вует в таких важнейших процессах (рис. 1.3), как регуляция внутриклеточного рН, создание мембранного потенциала, запасание и трансформация энергии, мембранный и дальний транспорт веществ, поглощение минеральных солей корнями, рост и двигательная активность и др. При активации Н ⁺ - помпы мембранный электрохимический потенциал ионов Н ⁺ (АД_Н*) возрастает и это возрастание включает в себя увели- чение его электрического (АЧ*) и химического (АрН) компо- А TP -ч<?'">' нентов:

_{ADP —'I}

[ I.

ГУи;-^;~-^н_'

Дц_н* = AT + АрН

Оба компонента могут быть использованы на переме­щение веществ. Электрический потенциал служит энергети­ческой основой для поглощения катионов (К ⁺ , Mg^{2 +} , Мп^{2 +} , Са²⁺ и др.), а протонный — для поступления в клетку анионов, Сахаров, аминокислот в симпорте с ионами Н ⁺ , а также для осморегуляции.

Рис. 1.3

Величины рН, элект­рических потенциалов и направление транс­порта ионов Н⁺ в раз­личных компартмен-тах растительной кле­тки (по J. Raven, F. Smith, 1977)

Н⁺ - насосы на основе редокс-цепи Ф""^ Н⁺ - насосы на основе АТРаз

Мембраны, поддерживающие Лм_н+ Мембраны, не поддерживающие Лм_н+

Многообразна роль осмотической работы, выполняе­мой биомембранами. Например, клетки пресноводных простей­ших и некоторых водорослей (эвгленовые, вольвоксовые), чтобы не быть разорванными, вынуждены постоянно сопро­тивляться пассивному осмотическому поступлению воды в клетки путем выведения избытка воды сократительными вакуолями. Для всех остальных растений осмотическое поступление воды не приводит к разрыву клеток, так как гидростатическому (тургорному) давлению противостоит противодавление эластически растянутых клеточных стенок. Более того, интенсивный напор воды становится важнейшим фактором существования растений. Тургор позволяет поддер­живать форму неедревесневшим частям и является той силой, которая обеспечивает рост растяжением растительных клеток. Наконец, регулируя концентрацию осмотически актиьных ве­ществ, растительные клетки всасывают воду из окружающей среды, даже если содержание воды в среде низкое. О мембранном транспорте растворенных веществ, который также входит в понятие осмотической работы, уже говорилось.

Структурная функция мембран заключается в упоря­доченности расположения полиферментных комплексов, высо­кая эффективность которых определяется сближением катали­тических центров. В среднем с одной молекулой погружен­ного в мембрану фермента контактируют 20 — 30 молекул фосфолипидов. Вследствие непрерывного движения липидов, примыкающих к белку, в липидном окружении фермента возникают молекулярные «дырки». Это явление не влияет на работу фермента, если липиды находятся в жидком агрегат­ном состоянии. При локальном «затвердевании» липидов возможно их устранение с достаточно больших участков

1.1.2

Субклеточные