Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

еет промежуточное значение и составляет величины порядка нескольких часов в зависимости от структуры изучаемого липида [985, 1455]. Такие же результаты были получены при измерении скорости флип-флопа спин-меченных аналогов фосфолипидов и экзогенных лизо-фосфолипидов [1004, 1628, 89]. Было установлено, что скорость миграции возрастает при нарушениях цитоскелета [1098, 1004], а также под действием агентов, влияющих на структуру липидного бислоя (например, грамицидина А) [224]. Возможно, цитоскелет играет определенную роль в уменьшении скорости миграции липидов через бислой благодаря связыванию аминофосфолипидов [1591]. Характерно, что ни эндоплазматический ретикулум, ни бактериальная ци-топлазматическая мембрана, для которых характерна высокая скорость флип-флопа липидов, не связаны с цитоскелетом.

Тот факт, что скорость трансмембранной миграции липидов в эритроцитах является АТР-зависимой [145J, 1628], предполагает присутствие в этой мембране энергозависимой транслоказы. АТР-зависимая трансмембранная миграция аминофосфолипидов наблюдается также в плазматической мембране фибробластов [929] и лимфоцитов [1627]. Однако ни одна из фосфолипидных транслоказ до сих пор не выделена, поэтому возможность существования таких ферментов и их потенциальная роль в поддержании липидной асимметрии или в биогенезе мембран представляются вероятными, но не более того.

4.5. Латеральная гетерогенность мембран

Исходная жидкостно-мозаичная модель (см. гл. 1) предполагает, что распределение белковых и липидных компонентов в плоскости бислоя является гомогенным. Однако не вызывает сомнений, что в ряде мембран существуют домены или области, отличающиеся по составу от остальной части мембраны вследствие ограничений в диффузионном обмене их компонентов. Имеются различные виды

Асимметрия мембран 197

мембранных доменов, о которых можно говорить в рамках жидкост-но-мозаичной модели, вводя определенные ограничения, налагаемые дополнительными стабилизирующими эти домены взаимодействиями.

1. Макроскопические домены, как правило, представляют собой обширные участки на поверхности клетки с характерной морфологией и четкими границами (барьерами). Примерами являются апикальная и базолатеральиая области поляризованных эпителиальных клеток (рис. 1.2). В тилакоидах соприкасающиеся (уложенные в стопки) и несоприкасающиеся (обращенные в сторону стромы) участки фото-синтезирующих мембран тоже имеют разный состав и, по-видимому, стабилизируются межмембранными взаимодействиями в стопках.

2. Агрегация белков в плоскости мембраны может приводить к образованию довольно больших островков, или доменов, которые обогащены определенным белком и находятся в смеси с какими-либо другими компонентами. Примерами являются пурпурные мембраны Н. halobium, содержащие бактернородопсин (разд. 3.5.2), или щелевые контакты, содержащие коннексин (разд. 8.2.1).

3. Домены, формируемые при участии цитоскелета, в принципе могут образоваться путем ассоциации определенных мембранных белков за счет их взаимодействия с внутриклеточными белками. В основе такой латеральной организации мембранных белков могли бы лежать особенности взаимодействий, наблюдаемых в случае цитоскелета эритроцитов. Пока четкие примеры существования таких доменов отсутствуют, однако можно предположить, что пэтчинг и кэппинг антигенов на клеточной поверхности осуществляются именно с участием цитоскелета и что концентрирование специфичных рецепторов в окаймленных ямках плазматической мембраны перед эн-доцитозом осуществляется благодаря их взаимодействию с компонентами цитоскелета или с клатрином (разд. 9.4.1).

4. Липидные микродомены могут быть термодинамически стабильны как в биологических мембранах, так и в модельных липидных системах [607, 964]. Об этом свидетельствуют многочисленные косвенные данные, хотя четкие доказательства существования таких доменов пока отсутствуют.

Приведенная классификация доменов условна; указанные четыре категории отнюдь не исключают друг друга при рассмотрении способов стабилизации латеральной гетерогенности мембран.

4.5.1. МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ДОМЕНЫ И БАРЬЕРЫ В ПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЕ [560]

Плазматическая мембрана клеток часто бывает разделена на отдельные домены, которые можно даже выделить и охарактеризо-

198 Глава 4

А. Сперматозоид с= 6. Палочка Наружный сегмент Соединительный отросток Внутренний сегмент В. Миелинизированньш аксон Область между Перехват перехватами .:¦ ..Аксон Нъ*-каналы К'-Каналы

Рис. 4.7. Границы между доменами плазматической мембраны в различных типах клеток [560].

вать. Как правило, эти домены разделены барьерами, которые препятствуют переходу белков и, возможно, липидов из одного домена в другой. В пределах же областей, ограниченных этими барьерами, белки и липиды диффундируют свободно. На рис. 4.7 приведено несколько примеров таких доменов.

1. Апикальная и базолатеральная области мембраны поляризованных эпителиальных клеток имеют разный состав. Показано, например, что ганглиозиды не пересекают границу между этими областями [1369], которая в данном случае представляет собой область плотных контактов между клетками [1495].

2. Плазматическая мембрана спермиев состоит из четко разграниченных участков разного состава, которые можно разделить [300]. Граница между доменами препятствует свободной диффузии мембранных белков [255].

3. Соединительный отросток на палочке сетчатки разделяет ее наружный и внутренний сегменты. Родопсин исходно включается в мембрану внутреннего сегмента, а затем концентрируется в мембране наружного сегмента. Вероятно, в мембране палочки существует диффузионный барьер, поддерживающий эту разность концентраций [1144].

4. Натриевые и калиевые каналы локализованы в разных областях мембраны миелинизированного аксона [1560]. Возможно, такая организация стабилизируется благодаря контактированию мембраны с глиальиыми или шванновскими клетками, которые образуют миелиновую оболочку вокруг нервного волокна.

Следует отметить, что макроскопическая латеральная гетерогенность может быть характерна и для мембран прокариотических кле-

Асимметрия мембран 199

ток. Например, в мембранах грамотрицательных бактерий имеются области адгезии, в которых, по-видимому, осуществляется контакт между наружной и внутренней мембранами [681]. У пурпурных несерных фотосинтезирующих бактерий (таких, как R. sphaeroides) фотосинтетический аппарат локализован в специализированных мембранах, образующихся в результате инвагинаций цитоплазматической мембраны [348].

Экспериментальные исследования в этой области затруднены, поэтому о природе барьеров, разделяющих различные мембранные домены, известно очень мало.

4.5.2. ТИЛАКОИДНЫЕ МЕМБРАНЫ [989, 1042, 1573]

Мембраны тилакоидов в хлоропластах высших растений содержат фотосинтетический аппарат. Эти мембраны собраны в стопки, называемые гранами (рис. 4.8). Соприкасающиеся и несоприкасаю-

гаооД

Рис. 4.8. Тилакоидная мембрана [1573]. А. Поперечный разрез граны; показаны также области мембраны, обращенные в строму. Б. Грана в более крупном масштабе; показаны некоторые белковые компоненты в измеренных соотношениях: цитохром ^//-комплекс (b/f), фотосистема 1 (PS1), фотосистема II (PS11) и пластоцианин (PC). Рисунок любезно предоставлен д-ром Т. Whitmarsh. См. также рис. 6.5.

56

200 Глава 4

щиеся участки мембраны тилакоидов имеют разную морфологию, и их можно разделить. Известно также, что зги две области мембраны имеют разный состав, вероятно стабилизируемый благодаря взаимодействиям между мембранами. Одним из факторов стабилизации мембран в стопках является прямое связывание светособирающих комплексов друг с другом в соприкасающихся мембранах. Важную роль в стабилизации стопок могут играть и электростатические взаимодействия. Детали этих взаимодействий во многом неясны, однако очевидно, что они каким-то образом приводят к функционально значимому латеральному разделению компонентов. Например, две фотосистемы, I и II, которые являются компонентами электронтранс-портной цепи, расположены в разных мембранных доменах [965], но связаны биохимически с помощью диффундирующего пластохинона (см. разд. 8.6). Распределение светособирающего комплекса между этими двумя доменами зависит от степени его фосфорилирования.

4.5.3. ВИРУСЫ С ОБОЛОЧКОЙ [1224, 1571]

Вирусы с оболочкой имеют нуклеокапсид, окруженный липидным бислоем. Последний происходит от мембраны клетки-хозяина и образуется при почковании вируса (рис. 4.9). Вирус саркомы Рауса и вирус везикулярного стоматита отпочковываются от плазматической мембраны клетки-хозяина в среду, а другие вирусы высвобождаются во внутренние компартменты клетки, например в аппарат Гольджи или эндоплазматический ретикулум [1240]. Эти вирусы очень полезны как модели для изучения мембранного биогенеза и внутриклеточного мембранного транспорта (гл. 9). Кроме того, они представляют интерес и с точки зрения изучения образования доменов в мембранах. Как показано на рис. 4.9, процесс отпочковывания включает взаимодействие мембраны с нуклеокапсидом и трансмембранными белками шиловидных выростов вируса. Гликопротеины этих выростов внедряются в плазматическую мембрану клетки-хозяина и с помощью своих цитоплазматических доменов взаимодействуют с белками вирусного матрикса, которые связаны с вирусным нуклеокапсидом. В процессе отпочковывания концентрация белков шиловидных вирусов в растущей почке увеличивается, а белки плазматической мембраны клетки-хозяина полностью из нее исключаются. Сформировавшаяся вирусная оболочка содержит только белки шиловидных выростов и совсем не содержит белков клетки-хозяина. Предполагается, что именно взаимодействие между матриксными белками и белками выростов обусловливает латеральное разделение компонентов, происходящее в плазматической мембране. Интересно, что липидный состав вирусной оболочки не совпадает с составом плазматической мембраны клетки-хозяина [1142]. Проще всего объяснить

Асимметрия мембран 201

Рис. 4.9. Предполагаемые стадии отпочковывания вируса с оболочкой от плазматической мембраны клетки-хозяина. Взаимодействие белков шиловидных выростов вируса с нуклеокапсидом осуществляется с участием белковых компонентов вирусного матрикса. Матриксиые белки, по-видимому, взаимодействуют также непосредственно с фосфолипидиым бислоем. В конце процесса белки клетки-хозяина вытесняются из вирусной мембраны.

это предпочтительными взаимодействиями между гликопротеинами шиловидных выростов и определенными липидными компонентами. Эта модельная система окажется полезной и для дальнейших исследований латеральной гетерогенности в мембранах.

4.5.4. ЛИПИДНЫЕ МИКРОДОМЕНЫ [693, 728, 1270]

Как указывалось в гл. 2, при подходящих условиях липиды подвергаются латеральному фазовому разделению с образованием стабильных ламеллярных доменов [693, 607, 702]. Такое разделение можно индуцировать изменением температуры, давления или ионной силы [1270] либо добавлением двухвалентных катионов [607] или белков [702]. Вопрос о том, существуют ли микродомены, подобные наблюдаемым в модельных липидных системах, также и в биологических мембранах, всегда вызывал большой интерес У исследователей. Полученные результаты не являются абсолютно убедительными, поскольку липидные домены не удается выделить и охарактеризовать, как в случае латеральной гетерогенности, рассмотренной выше. Конечно, лучше всего было бы провести фрагментацию мембраны и проиллюстрировать различия в распределении компонентов в выделенных мембранных фракциях [305]. Для об-

202 Глава 4

наружения латеральной гетерогенности биологических мембран часто используют электронную микроскопию [1329]. О такой гетерогенности можно судить также по данным биофизических методов, если полученный от образца сигнал свидетельствует о наличии различных мембранных популяций, а не одной гомогенной популяции. В качестве примера можно привести измерения коэффициента диффузии флуоресцентных аналогов липидов в протопластах сои [976]. О микрогетерогенности мембран иногда можно судить по поведению ферментов, если ферментативная активность не отвечает усредненному физическому состоянию липидной фазы по всей массе мембраны [639]. Часто эти методы свидетельствуют о наличии в мембране областей с разной текучестью липидов, что указывает на сосуществование фазы геля и жидкокристаллической фазы. Такие выводы были сделаны в ряде исследований, где различные возмущения, вызываемые присутствием цис- и транс-ненасыщенных жирных кислот, объяснялись их разным распределением между доменами, находящимися в жидкокристаллическом состоянии и в фазе геля [728].

Все эти исследования согласуются с предположением о наличии в биологических мембранах микродоменов, но в большинстве случаев такое объяснение не является единственно возможным или несомненным. Тем не менее идея о существовании липидных микродоменов весьма привлекательна. Ведь благодаря им ферменты в одной и той же мембране могут находиться в разном окружении, и их активность может регулироваться за счет специфичных взаимодействий с липидами или другими белками. Кроме того, на границах между доменами могут проявляться «дефекты» упаковки липидного бислоя. Как полагают, такие границы с резким изменением упаковки липидов в ряде случаев оказывают решающее влияние на функции бислоя [1270]. Исследования модельных липидных систем показали, что при фазовом переходе, когда сосуществуют фаза геля и жидкокристаллическая фаза, пассивный транспорт как гидрофобных, так и гидрофильных веществ ускоряется в несколько раз по сравнению с жидкой фазой (гл. 7). По-видимому, в областях бислоя с дефектами упаковки, где сжимаемость липидов высока, могут образовываться поры [1489]. Благодаря наличию дефектов в пограничных областях бислоя может ускоряться флип-флоп фосфолипидов, возрастать их доступность для фосфолипаз (разд. 6.7.4), а также усиливаться тенденция липидных везикул к слиянию (разд. 9.5.1).

Идея липидных микродоменов в мембранах весьма привлекательна, поскольку она позволяет легко объяснить многие факты, но она все еще нуждается в подтверждении.

Асимметрия мембран 203

4.6. Резюме

Множество фактов свидетельствует о гетерогенности биологических мембран как в продольном, так и в поперечном направлениях. Трансмембранная асимметрия означает, что разные половины бислоя имеют разный состав. Установлено, что интегральные мембранные белки встроены в мембрану асимметрично и эта асимметрия стабильна. Таким образом, к цитоплазматической и наружной поверхностям мембраны обращены разные белковые домены. Получено множество данных (в первую очередь на эритроцитах) о том, что совершенно разным может быть и фосфолипидный состав двух половин бислоя. Как создается эта липидная асимметрия и за счет чего она поддерживается — пока неясно, хотя имеются данные о существовании АТР-зависимых транслоказ, которые ускоряют перенос липидов через бислой. Другими факторами, определяющими асимметрию мембран животных клеток, являются взаимодействия липидов с цитоскелетом и с внеклеточным матриксом иа ее поверхности.

Имеются данные и о латеральной гетерогенности биологических мембран. Э

страница 27
< 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
(23.10.2017)