Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

р, которая занимает значительную часть внутреннего объема обычной животной клетки. Основная роль ЭР состоит в том, что он служит местом биосинтеза белков, которые затем секретируются, включаются в лизосомы или в плазматическую мембрану. Потенциально опасные для клетки гидролитические ферменты, которые должны секретироваться или накапливаться в лизосомах, подвергаются в ЭР процессингу до зрелой формы. С ЭР часто бывают связаны рибосомы, в результате чего на электронных микрофотографиях он выглядит шероховатым (шероховатый ЭР). Сложные процессы, в ходе которых осуществляется синтез белков (мембранных, секретируемых или лизосомных), их превращение в зрелую форму и направленная доставка к месту назначения, описаны в гл. 10.

Области ЭР, не содержащие рибосом, называются гладким ЭР. Здесь осуществляется биосинтез стеролов, протекают реакции деток-сикации и происходит десатурация жирных кислот. Все эти процессы

14 Глава I

входят в сложную, согласованную систему транспорта электронов, осуществляемого при участии цитохромов bs и Р450 (гл. 6).

4. Аппарат Гольджи. Эта органелла состоит из сети уплощенных мешков (цистерн), собранных в стопки. Основная его функция заключается в посттрансляционной модификации гликопротеинов, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме и предназначенных для секреции, включения в плазматическую мембрану или доставки в лизосомы. Эти органеллы содержат гликозидазы и гликозилтранс-феразы, которые вступают в действие последовательно, по мере того как белок, подвергаемый процессингу, перемещается (вероятно, с помощью мембранных везикул) от начала аппарата Гольджи (цис-область) до его конца (транс-область). Фактически аппарат Гольджи состоит из совокупности отдельных мембран, образующих цистерны. Эти мембраны, которые можно выделить, характеризуются определенным набором ферментов [1248] (см. разд. 10.2; рис. 10.4). Механизмы транспорта мембран и секретируемых белков через аппарат Гольджи рассмотрены в гл. 10.

5. Лизосомы. Эти органеллы ответственны за деградацию макромолекул и содержат ряд гидролитических ферментов, таких, как про-теазы и липазы [316]. Вещества, захваченные клеткой путем эндо-или фагоцитоза, которые необходимо расщепить, доставляются в лизосомы с помощью везикул. В лизосомах происходит также расщепление клеточных компонентов в ходе их обычного круговорота. Как осуществляются синтез лизосомных ферментов, их маркировка для доставки в лизосомы и последующий транспорт — изучено достаточно хорошо. Эти процессы рассматриваются в гл. 10.

6. Пероксисомы. Эти органеллы содержат окислительные ферменты, участвующие в деградации малых молекул, таких, как аминокислоты, ксантин и, в особенности, жирные кислоты [933]. Их название связано с присутствием в них каталазы, которая разлагает перекиси, образующиеся как побочные продукты при реакциях окисления.

7. Митохондрии. В этих органеллах осуществляется окислительное фосфорилирование, в результате чего в ходе окисления субстратов, таких, как NADH или сукцинат, образуется АТР. Митохондрии образованы двумя мембранами, разделенными некоторым промежутком. Внутренняя область митохондрий называется матриксом (см. рис. 10.1). Внутренняя мембрана образует складки в виде перегородок, называемых кристами, и содержит ферменты, участвующие в транспорте электронов и синтезе АТР. В гл. 6 обсуждаются роль диффузии в плоскости мембраны компонентов цепи электронного транспорта и ее функциональное значение. Вопросы, связанные с синтезом белков митохондрий, который происходит в цитоплазме, и с их доставкой в один из митохондриальных компартментов или в одну из мембран, рассматриваются в гл. 10.

Введение: структура и состав биологических мембран 15

8. Хлоропласты. Это органеллы, содержащие фотосинтетический аппарат. Они имеют наружную оболочку, образуемую двумя мембранами, и внутреннюю область — строму. В строме находятся тилакоидные мембраны, где локализованы компоненты системы фотосинтеза. На отдельных участках тилакоидные мембраны плотно упакованы в стопки, а на других обращены непосредственно к строме (рис. 4.8). Состав плотноупакованных и обращенных в строму доменов тилакоидной мембраны различен, что указывает на латеральную гетерогенность этой мембраны (разд. 4.5.2). Энзимология фото-синтезирующей цепи электронного транспорта обсуждается в разд. 6.6.

Следует подчеркнуть, что при изучении каждой из мембран, упомянутых выше, а также и других специализированных мембран из клеток животных, растений или бактерий возникает целый комплекс важных и интересных вопросов, требующих своего решения, и открываются широкие возможности для биохимических исследований. Другие мембранные системы, представляющие интерес в этом отношении, будут описаны в последующих главах книги.

1.2. Исторический очерк

Тот факт, что плазматическая мембрана, окружающая клетки, представляет собой вполне определенную структуру, был осознан в середине XIX столетия. На исходе этого столетия Овертон обратил внимание на корреляцию между скоростью, с которой небольшие молекулы проникают в растительные клетки, и их коэффициентом распределения между маслом и водой [1112]; это привело его к мысли о липидной природе мембран. В 1925 г. Гортер и Грендел [532] предположили, что липиды в мембране эритроцитов образуют биомолекулярный слой (липидный бислой). Эта идея возникла на основе результатов элегантного и простого эксперимента. Липиды эритроцитов экстрагировали ацетоном и затем в кювете Лэнгмюра (см. рис. 2.23) получали из них тонкую пленку на поверхности воды. С помощью поплавка сжимали слой липидных молекул на границе раздела вода—воздух до тех пор, пока этот слой не начинал оказывать сопротивление дальнейшему сжатию; это явление было объяснено образованием плотноупакованной мономолекулярной липидной пленки. Измерение площади, занимаемой липидами, и сравнение ее с площадью поверхности эритроцитов, из которых эти липиды были экстрагированы, дали соотношение 2:1. Отсюда был сделан вывод, что мембрана эритроцитов состоит из липидных молекул, расположенных в два слоя. По-видимому, этот вывод Гортера и Грендела оказался правильным только благодаря взаимной компенсации ошибок [64], однако в историческом плане эта работа имела

16 Глава 1

А

наружная поверхность

Липоид

....................

(®1®Х©Х®1®Л®)

Внутренняя поверхность

Рис. 1.3. Три модели структурной организации биологических мембран, оказавшие влияние иа развитие всей науки о мембранах (см. текст). А. Модель Дэвсона— Даниелли. Б. Модель унитарной мембраны Робертсоиа. В. Модель жидкостно-мозаичной мембраны Сиигера и Николсоиа. Из работ [279] (А), [1230] (Б) и [1349] (В). Рис. В предоставлен д-ром Singer.

Введение: структура и состав биологических мембран 17

большое значение, поскольку с тех пор концепция липидного бислоя как структурной основы биологических мембран стала доминирующей и на самом деле оказалась верной.

Концепция бимолекулярной липидной мембраны получила дальнейшее развитие в предложенной в 1935 г. модели Дэвсона—Даниелли, или модели «сэндвича», в которой предполагалось, что белки покрывают поверхность липидного бислоя [279] (рис. 1.3). Это была необыкновенно удачная модель, и в течение последующих 30 лет многочисленные экспериментальные данные, особенно полученные с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии (см. следующий раздел), полностью подтвердили ее адекватность. Однако тогда же обнаружилось, что мембраны выполняют огромное множество функций, и чтобы объяснить этот феномен, исходная модель Дэвсона—Даниелли неоднократно подвергалась модификациям [см., например, 1387, 425, 880, 1229, 1500].

Быстрый прогресс в мембранологии, в результате которого сформировались современные представления, был достигнут в значительной мере благодаря успехам в изучении свойств мембранных белков. Электронно-микроскопические исследования с применением метода замораживания—скалывания (см. следующий раздел) показали, что в мембраны встроены глобулярные частицы [135, 136, 162]. Тем временем биохимикам с помощью детергентов удалось диссоциировать мембраны до состояния функционально активных «частиц» [542, 543, 1501]. Данные спектральных исследований указывали, что для мембранных белков характерно высокое содержание а-спиралей и что они, вероятно, образуют глобулы, а не распределены в виде монослоя на поверхности липидного бислоя [836, 1543]. Неполярные свойства мембранных белков [543, 1216] наводили на мысль о наличии гидрофобных контактов между белками и внутренней неполярной областью липидного бислоя. Тогда же были разработаны методы, позволившие выявить текучесть липидного бислоя [468]. Сингер и Николсон свели воедино все эти идеи, создав жидкостно-мозаич-ную модель. В рамках этой модели мембрана представляется как текучий фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки [1348, 1349]. Прежняя модель Дэвсона—Даниелли была статичной и успешно объясняла имевшиеся в то время стркутурные данные, полученные с довольно низким разрешением (см. следующий раздел). В то же время начиная с 1970 г. большое внимание стало уделяться изучению динамических свойств и их взаимосвязи с мембранными функциями. В последние годы жидкостно-мозаичная модель тоже подверглась модификации, и этот процесс будет продолжаться. В частности, теперь стало ясно, что не все мембранные белки свободно диффундируют в жидком липидном бислое [690] (см. гл. 5). Имеются данные о существовании латеРальнь*х ^' менов в самой мембране [693] (см. гл. 4). Тщательно изучается также

I^+/+//^

18 Глава 1

роль цитоскелета (гл. 4). Становится все очевиднее, что некоторые участки мембран, по-видимому, отличаются по своей структуре от классического липидного бислоя [265]. Тем не менее в обозримом будущем жидкостно-мозаичная модель в ее разных модификациях будет служить в качестве концептуальной основы для многих мембранных исследований.

1.3. Морфология мембран

Важную роль в выяснении мофрологии мембран сыграли два метода: дифракция рентгеновских лучей и электронная микроскопия. Именно с их помощью была подтверждена правильность бислойной модели. Однако следует иметь в виду, что при выяснении детальной картины молекулярной организации мембран оба этих метода сталкиваются с рядом ограничений.

1.3.1. ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

При исследовании высокоупорядоченных кристаллических образцов с помощью метода дифракции рентгеновских лучей удается получить информацию о структуре с высоким разрешением. В случае же малоупорядоченных препаратов возможности этого метода ограничены. Некоторые специализированные мембранные системы уже имеют регулярную структуру, и потому их можно изучать рентгено-структурными методами. Примером такого рода служит миелиновая оболочка периферических нервных волокон; она представляет собой мембрану, которая, многократно оборачиваясь вокруг аксона, формирует регулярную систему из концентрических мембранных структур. Исследования дифракции рентгеновских лучей на миелине, проведенные еще в 30-х гг., подтверждают адекватность бислойной модели мембран [1299, 427]. К такому же выводу приводит и изучение наружного сегмента палочек сетчатки позвоночных [108], которые представляют собой природные упорядоченные мембранные системы (диски), а также искусственно упорядоченных систем, которые образуются при коллапсировании в условиях центрифугирования мембранных везикул, полученных из митохондрий [1449] и эритроцитов [426]. Во всех этих случаях наблюдалось сходное распределение электронной плотности в мембране, показанное на рис. 1.4.

Для интерпретации рентгеноструктурных данных необходимо определить не только интенсивности рефлексов, но и их фазы. В случае регулярно упакованных мембранных систем задача значительно упрощается, поскольку эти системы состоят из повторяющихся элементов с центральной симметрией [109]. Полученные данные показывают, что структура всех мембран сходна: они имеют гидрофоб-

Введение: структура и состав биологических мембран 19

А

<»50|-

*00 ilk

350 -'' %, ? %

\ зоо - % ;

250 -

Tiii

2нм 0 2нм

Рнс. 1.4. Распределение электронной плотности в мембранах, полученное по данным рентгеноструктуриого анализа [425а, 1057b]. А. Схематическое изображение распределения электронной плотности; указаны соединения, служившие стандартами электронной плотности. Б. Распределение электронной плотности в миелине, который представляет собой центросимметричную систему, образуемую парой соприкасающихся между собой мембран. На схеме, отвечающей наблюдаемому распределению электронной плотности, буквой «Ц» обозначена область соприкосновения внутренних поверхностей этих мембран, а буквой «Н» — их наружные поверхности.

Стандарть!

электронной плотности

Обезвоженные белки и полярные головни липидных молекул Гидратированные полярные головни липидов Вода

Пара фин( твердый) Парафин (жидкий)

ную внутреннюю область с низкой электронной плотностью и два слоя полярных группировок с высокой электронной плотностью. Рентгеноструктурные данные, полученные для разных мембран, различаются лишь незначительно, несмотря на большие различия в содержании в них белка (от 20 до 80%). Хотя рентгеноструктурные данные позволяют получить некоторую информацию о том, как расположена в мембране основная масса мембранных белков (интегральных или периферических), в целом метод рентгеноструктуриого анализа не дает детальной молекулярной картины.

Уилкинс и др. [1586] отметили в 1971 г., что метод дифракции рентгеновских лучей можно использовать и для изучения водных дисперсий мембран и фосфолипидов. При этом рефлексы, порождаемые полярными областями на обеих сторонах бислоя, позволяют найти его толщину, равную расстоянию между полярными головками (около 36 А для чистых фосфолипидов), а по рефлексам, порождаемым упорядоченными углеводородными цепями, можно определить расстояние между этими цепями (около 4,2 А в высокоупорядо-ченном состоянии). И в этом случае мембранные препараты, полученные из разных источников, дали сходную дифракционную картину, что подтверждает универсальность бислойной модели.

Невозможность получения с помощью метода дифракции детальной молекулярной картины ограничивает применение этого метода для изучения биологических мембран. Однако он может быть весьма полезен при исследовании упорядоченных липидно-водных систем [1334].

20 Глава 1

1.3.2. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

Просвечивающая электронная микроскопия тонких срезов миелина, а фактически и всех остальных мембран, выявляет характерную трехслойную структуру, состоящую из двух электроноплотных полос, разделенных промежутком около 80 А. Такая картина получается в значительной мере в результате обработки препаратов четырех-окисью осмия, обычно применяемой в этом методе [956]. Робертсон назвал наблюдаемую структуру «унитарной» [1231, 1230], чтобы подчеркнуть ее универсальность, и хотя молекулярные механизмы прокрашивания мембран осмием неизвестны, эта структура рассматривалась как подтверждение справедливости бислойной модели мембраны. Ясно, однако, что при подготовке препаратов для просвечивающей электронной микроскопии мембраны м

страница 2
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(29.04.2017)