Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

пользования генетических методов исследования структуры и механизма действия белкового комплекса.

8.6. Мембранные поры, создаваемые экзогенными агентами

В предыдущих разделах мы рассматривали процессы регуляции клеткой потоков веществ через мембрану при помощи различных эндогенных транспортных систем. Однако в условиях in vivo поры в биомембранах могут образовываться с помощью экзогенных веществ, а также под влиянием различных воздействий. Многие пептиды (такие, как грамицидин А и мелиттин) и белки, создавая неселективные поры в плазматической мембране клетки-мишени, убивают клетку [92]. В этом разделе мы рассмотрим разные способы образования пор в биомембранах под действием специфических агентов или физических факторов.

8.6.1. ТОКСИНЫ -И ЦИТОЛИТИЧЕСКИЕ БЕЛКИ

В природе существуют различные водорастворимые токсины, взаимодействующие со специфическими клетками-мишенями. Как минимум, токсины должны узнавать определенные рецепторы на наружной поверхности мембраны и каким-то образом проникать в цитоплазму. Одни токсины способствуют высвобождению в цитоплазму фермента, оказывающего летальное воздействие (например, дифтерийный токсин), другие просто образуют в мембране неселективные поры, давая возможность метаболитам, ионам, а иногда и макромолекулам выйти из клетки. Наиболее интересным представляется вопрос о том, как эти водорастворимые гидрофильные белки спонтанно встраиваются в мембранный бислой. Этот вопрос будет обсуждаться в разд. 10.3.1 при рассмотрении процессов транспорта белков из клетки.

Поры, каналы и переносчики 393

Рассмотрим основные свойства некоторых из токсинов, образующих поры в биомембранах.

1. Колицины [235, 1061] представляют собой одиночные полипептиды (60 000 Да), и некоторые из них образуют неселективные каналы в цитоплазматической мембране чувствительных штаммов Е. coli. Наиболее полно к настоящему времени охарактеризованы колицины Е1 и А. Очищенные белки спонтанно формируют в плоских мембранах потенциалзависимые каналы, достаточно большие, чтобы пропускать такие молекулы, как NAD+ . Недавно был выделен и охарактеризован каналообразующий участок, находящийся на С-конце колицина Е1 (146 аминокислот; [1203, 1146]). Его аминокислотная последовательность отлична от таковой у интегральных мембранных белков. Под действием напряжения происходит переход образуемой колицином Е1 поры из открытого состояния в закрытое, что сопровождается переносом через мембрану значительного количества белка [1203]. Пору образует только одна молекула колицина [1203, 1146].

2. Дифтерийный токсин [1061] представляет собой одиночный полипетид, также продуцируемый бактериями, который при связывании с поверхностными рецепторами определенных клеток образует в мембране канал и высвобождает в цитоплазму фермент, оказывающий летальное действие. Один фрагмент токсина формирует в мембране поры, размер которых достаточно велик, чтобы через них мог пройти сегмент токсина, обладающий ферментативной активностью [638]. Однако окончательно не доказано, что именно таков механизм переноса. Сходные результаты были получены и для токсинов, вызывающих столбняк и ботулизм [638]. Холерный токсин сострит из двух субъединиц, при этом субъединица В образует в мембране олигомер с центральным каналом, который используется для переноса А-субъединицы, обладающей ферментативной активностью [883]. С помощью рентгеновской кристаллографии была установлена структура экзотоксина А из Pseudomonas, близкого по строению к дифтерийному токсину [22], что,однако, не помогло выяснить механизм спонтанного встраивания этого растворимого белка в мембрану и образования поры.

3. Комплекс комплемента и парообразующих белков из цито-токсичных Т-клеток (перфорин). Эти родственные белки сыворотки агрегируют, образуя большие поры (внутренний диаметр от 100 до 160 А) в мембране клеток-мишеней [1624, 1341]. Первичным компонентом этого комплекса является белок С9, который после нескольких актов самосборки с участием других компонентов системы комплемента формирует большую пору, в результате чего происходит лизис клетки. Этот белок интенсивно изучали с использованием модельных систем плоских мембран и липосом [1341, 88]. Однако механизм формирования поры на молекулярном уровне до сих пор неизвестен.

394 Глава 8

Примером другого токсина, который агрегирует в мембране, образуя большую пору, является а-токсин из S. aureus. Известно, что он образует гексамерную структуру, претерпевающую при связывании с мембраной конформационные изменения [676].

8.6.2. ПЕРМЕАБИЛИЗАЦИЯ ПРИ ПОМОЩИ ДЕТЕРГЕНТОВ

Сапонин и дигитонин взаимодействуют с холестеролом внутри мембран и образуют агрегаты в виде крупных пор [991]. Эти агенты широко используются для формирования больших отверстий в плазматических мембранах клеток, через которые внутрь клеток могут проходить как небольшие молекулы, так и макромолекулы (например, антитела) [991, 516, 820].

8.6.3. ПЕРМЕАБИЛИЗАЦИЯ ПРИ ПОМОЩИ ОСМОТИЧЕСКОГО ШОКА

Под действием осмотического шока в мембранах образуются отверстия. Так, в мембране эритроцита появляется одно большое отверстие диаметром ~ 1 мкм, размер которого затем уменьшается до 14 н- 280 А [857]. Конечный размер зависит от состава буфера. Детали формирования и строения этого гемолитического отверстия неизвестны.

8.6.4. ПЕРМЕАБИЛИЗАЦИЯ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Поры в плазматической мембране животных клеток могут образовываться и под действием электрического поля. Исследования, проведенные на тенях эритроцитов, показали, что вблизи катода происходит формирование нестабильных больших пор (диаметр 168 А), которые затем быстро уменьшаются до 10 А [1364]. Образование пор под действием электрического поля иногда используют для инициации слияния клеток. Связано ли наблюдаемое порообразование со структурными изменениями, вызывающими слияние мембран, неизвестно.

8.6.5. ПЕРМЕАБИЛИЗАЦИЯ ЗА СЧЕТ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ УПАКОВКИ МЕМБРАННЫХ КОМПОНЕНТОВ

Любая обработка, которая изменяет упаковку липидов и белков в мембране, может привести к нарушению функции мембраны как барьера для гидрофильных веществ. Например, проницаемость липосом при температуре фазового перехода существенно повышается, становясь эквивалентной проницаемости поры диаметром 18 Л

Поры, каналы и переносчики 395

[1489]. К аналогичному эффекту может привести и агрегация белков как в реконструированных протеолипосомах, так и при перекрестном сшивании мембранных белков внутри биомембран [327, 1488]. Эти явления вряд ли участвуют в естественных физиологических процессах, однако они указывают на то, что какие-то изменения в организации мембранных компонентов несовместимы с функцией мембраны.

8.7. Резюме

Транспорт большинства растворимых молекул через биологические мембраны опосредуется переносчиками или канальными белками. Каналы облегчают транспорт ионов через мембрану, и перенос через них осуществляется очень быстро (10—108 ион/с на один канальный белок). Такие высокие скорости транспорта ионов связаны с тем, что канальные белки не претерпевают конформационных изменений при переносе иона с одной стороны мембраны на другую. Столь быстрый транспорт ионов обусловливает такую высокую мембранную проводимость, что удается измерить ионный ток через отдельный канал. В отличие от этого переносчики, которые участвуют в транспортном цикле, претерпевают конформационные изменения. При этом место связывания переносимого вещества бывает обращено сначала к одной, а затем к противоположной стороне мембраны. Как правило, опосредованный переносчиками транспорт веществ через мембрану происходит на несколько порядков медленнее, чем транспорт по каналам.

Пассивные переносчики просто облегчают диффузию веществ через мембрану, в то время как активные используют энергию для транспорта веществ против концентрационного градиента. Известны активные переносчики, сопрягающие транспорт вещества с переносом электронов, гидролизом АТР или фосфоенолпирувата, поглощением света или совместным транспортом иона.

Существуют группы каналов и переносчиков, которые объединяют функционально различающиеся белки, имеющие сходное строение. Близость их аминокислотных последовательностей позволяет предположить, что, несмотря на различия в субстратной специфичности, каналы и переносчики одной группы могут фукнционировать по сходному механизму. По-видимому, белковые комплексы образуют в мембране пору, находящуюся в центре белкового кластера, который содержит несколько (от трех до восьми) копий одинаковых или близкородственных полипептидов или доменов одного полипептида. Эти поры могут открываться или закрываться в ответ на химический или электрический сигнал.

Глава 9

КЛЕТОЧНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ: РЕЦЕПТОРЫ, РЕЦИКЛИРОВАНИЕ МЕМБРАН И ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ

9.1. Введение

Эта глава посвящена в основном переносу информации через мембранный бислой, тогда как в предыдущей главе рассматривался транспорт веществ. Все клетки должны иметь механизмы, позволяющие им контролировать состояние окружающей среды и отвечать на происходящие в ней изменения. В плазматических мембранах бактериальных, растительных и животных клеток содержится множество специализированных рецепторных молекул, которые, взаимодействуя с внеклеточными компонентами, вызывают специфические клеточные ответы. Одни рецепторы связывают питательные вещества или метаболиты, другие — гормоны или нейромедиа-торы, третьи участвуют в межклеточном узнавании и адгезии или связывании клеток с нерастворимыми компонентами внеклеточной среды. Работа большинства рецепторных систем включает следующие стадии: 1) связывание лиганда или агониста с рецептором, расположенным на клеточной поверхности; 2) передачу внутрь клетки информации о связывании вещества с рецептором; 3) клеточный ответ, который в свою очередь делится ни первичный и вторичный. Эта бурно развивающаяся область исследований благодаря применению молекулярно-биологических подходов имеет блестящие перспективы. Становится ясно, что многочисленные, на первый взгляд не связанные друг с другом рецепторные системы имеют в своей основе много общего. Идентифицировано несколько семейств рецепторных белков с гомологичными первичными структурами; каждый белок связывается с характерным для него лигандом, что вызывает специфический клеточный ответ. Такие «суперсемейства» состоят из структурно родственных, но функционально различающихся белков (табл. 9.1). Это предполагает наличие неких модульных конструкций не только среди рецепторных белков в пределах данного семейства [984], но Также среди других компонентов рецепторных систем, так что варианты одной и той же основной структуры рецепторного белка могут удовлетворять разнообразные потребности различных типов клеток, взаимодействующих с разными эффекторами. В частности, совершенно очевидна ключевая роль

Клеточная поверхность 397

Таблица 9.1. Некоторые суперсемейства структурно родственных рецепторов у эукариот1'

(1) Иммуноглобулиновое суперсемейство — множество разнообраз-

ных функций

T-клеточный рецептор (а, /3-субъединицы)

Главный комплекс гистосовместимости класса II (а, /3-субъединицы)

Антигеи-3, связанный с функцией лимфоцитов (LFA-3) CD2 (T-клеточный LFA-2) IgA/IgM-рецептор Fc-рецептор IgG

IgE-рецептор с высоким сродством (а-субъединица) Поверхностные иммуноглобулины (тяжелые, легкие цепи) N-CAM

Гликопротеин, ассоциированный с миелином

(2) Интегрины — связывание с компонентами внеклеточного

матрикса и белками адгезии Фибронектиновые рецепторы Витронектиновые рецепторы

Глнкопротенновый комплекс тромбоцитов (ПЬ/Ша) Лейкоцитарные белки адгезии (LFA-1, Macl, р150/95) Очень поздние Т-клеточные антигены (семейство VLA)

(3) Рецепторы митогенов/факторов роста, обладающие тирозинки

назной активностью — стимуляция клеточного роста Рецептор фактора роста эпидермиса

Рецептор фактора роста производных тромбоцитов (PDGF) Инсулииовый рецептор

Рецептор инсулнноподобного фактора роста-I (IGF-I)[I476] Рецептор фактора роста-1, стимулирующего образование колоний (CSF-1)

(4) Рецепторы нейромедиаторов/ионные каналы — каналы, функци-

онирующие как рецепторы Никотиновый ацетилхолиновый рецептор (nAChR) Рецептор 7-аминомасляной кислоты (ГАМК) Глициновый рецептор

(5) Рецепторы, активирующие G-белки /З-Адрвнергические рецепторы (/},, /32) а-Ааренергические рецепторы (аи од) [767] Опсины (родопсин)

Мускариновые ацетилхолиновые рецепторы (Ml, М2) Рецепторы, ответственные за тип спаривания у дрожжей (а, а)2) [624]

Рецептор субстанции К2) [935]

(6) Различные рецепторы

(А) Асиалогликопротеиновые рецепторы

398 Глава 9

Продолжение табл. 9.1

Лимфоцитариый UgE-рецептор с низким сродством (функция неизвестна)

(Б) Рецептор инсулииоподобиого фактора роста-2 (IGF-2) [1017] Катиоииезависимый рецептор маниозо-6-фосфата Катионзависимый рецептор маннозо-6-фосфата (виецитоплаз-матический домен) [274]

"Дополнительные ссылки см. в тексте. 2'Активация G-белков предполагается.

GTP-связывающих белков (G-белков) и продуктов распада фосфати-дилииозитола в самых разных системах. В этой главе мы попытаемся изложить основные концепции, разработанные в этой области в последние годы.

Мы рассмотрим также тесно связанный с предыдущим вопрос о динамических свойствах самой клеточной поверхности, в частности поверхности животной клетки. В гл. 5 мы обсуждали проблему диффузии отдельных белковых и липидных молекул в плоскости мембраны, а теперь рассмотрим динамическое равновесие между плазматической мембраной животной клетки и пулом внутриклеточных мембранных везикул, называемых эндосомами или рецеп-тосомами, которые отшнуровываются от плазматической мембраны и способны опять с ней сливаться. Все это является частью сложного механизма внутриклеточного мембранного транспорта, протекающего также с участием других клеточных мембранных органелл, например комплекса Гольджи и лизосом. При поступлении соответствующих сигналов специфические белки плазматической мембраны, инкапсулированные во внутреннем мембранном пуле, быстро высвобождаются и оказываются на поверхности мембраны в активной форме (примером может служить поведение переносчика глюкозы в ответ на инсулин [712]). Некоторые макромолекулы, например липопротеииы низкой плотности (ЛНП), поглощаются клетками путем захвата отшнуровывающихся от плазматической мембраны везикул в процессе, называемом рецеп-торзависимым эидоцитозом. В следующей главе мы увидим, что новосиитезированные белки плазматической мембраны, а также се-кретируемые белки «путешествуют» от места их синтеза в эидо-плазматическом ретикулуме до места назначения с помощью специальной мембранной транспортной системы при участии внутриклеточных везикул. Это явление называется экзоцитозом (разд. 10.2).

Клеточная поверхность 399

9.2. Поверхность животной клетки

Прежде чем переходить к обсуждению структур различных мем-браносвязанных рецепторов и механизмов индукции клеточного ответа, полезно рассмотреть строение поверхности животной клетки, поскольку большинство исследований в этой области выполнено на клетках животных. Плазматическую мембрану отличают от других клеточных мембран две особенности

страница 56
< 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
(30.04.2017)