Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

.

1. Относительно высокое содержание холестерола (табл. 1.3). Оценить долю холестерола клетки, находящуюся в плазматической мембране, довольно трудно [1493], но ясно, что она весьма существенна. Высоким содержанием холестерола отличаются и другие мембранные структуры эндоцитозного пути (лизосомы, эндосомы). Еще один липид, содержащийся в значительных количествах в этих мембранах, — сфингомиелин.

2. Относительно высокое содержание гликопроизводных (гликолипидов и гликопротеинов). Гликопроизводиые содержатся не только в плазматической мембране. Однако они присутствуют в ней в большом количестве. Все углеводные группы гликопротеинов плазматической мембраны находятся на наружной поверхности клетки, и, как указывалось в гл. 4, зная места их прикрепления, можно определить аминокислотные остатки мембранных белков, обращенные наружу. Большинство (но не все) белков плазматической мембраны гликозилированы. Полезно также помнить, что некоторые белки плазматической мембраны прикрепляются к ней с помощью фосфоинозитола и могут высвобождаться под действием фосфолипазы С [675], а другие белки присоединяются через ковалентно связанные жирные кислоты (разд. 3.8).

Физико-химические свойства холестерола в составе модельных мембран широко исследовались (разд. 2.4.2), однако функциональная роль холестерола в плазматической мембране до сих пор неизвестна. Далека от выяснения и биологическая функция углеводных частей гликолипидов и гликопротеинов.

В качестве примера рассмотрим поверхность эритроцита [1519]. Два преобладающих в этой мембране белка — белок полосы 3 и гликофории А — являются достаточно хорошо охарактеризованными гликопротеинами. Около 75°7« всех моносахаридов клеточной поверхности входит в состав гликопротеинов, а остальные 25*?* содержатся в гликолипидах, которые состоят из простых глобозидов и длинноцепочечных полилактозаминцерамидов (структурные данные см. в гл. 1). Эти гликолипиды составляют лишь несколько молярных процентов от общего количества липидов. Основные угле-водсодержащие компоненты мембраны эритроцитов схематически представлены на рис. 9.1; указана максимальная протяженность Углеводных цепей. Рис. 9.2 иллюстрирует поверхность эритроцита

150г

Рис. 9.2. Участок поверхности эритроцита размером 350 х 350 А [1519].

Клеточная поверхность 401

в истинном масштабе, дающем представление о расстоянии между различными гликопроизводными. На самом деле углеводные цепи не выступают над клеточной поверхностью так, как это изображено на рис. 9.1 и 9.2 [539, 891], однако эти структуры, вероятно, играют важную роль при взаимодействии клеток с их окружением.

Углеводсодержащие соединения придают клеточной поверхности ярко выраженный гидрофильный характер. При этом отрицательный заряд в значительной степени определяется остатками сиало-ных кислот, которые составляют семейство производных нейраминовой кислоты (см. рис. 1.14). В некоторых случаях сиаловые кислоты маскируют специфические сайты узнавания на молекулах клеточной поверхности [1290]. Существенно, что гликопроизводные определяют свойства участка, выступающего над клеточной поверхностью на — 100 А. Кроме того, эти специфические компоненты обладают уникальными биологическими функциями.

Так, было показано, что углеводные компоненты гликолипидов и гликопротеинов изменяются при развитии и дифференцировке клетки и могут служить антигенными маркерами, ассоциированными с опухолями [415]. Ганглиозиды, представляющие собой содержащие сиаловую кислоту гликосфинголипиды (рис. 1.14), служат местом связывания холерного и столбнячного токсинов (GMi) [434, 481]. Что еще более интересно — ганглиозиды непосредственно участвуют в регуляции процессов клеточного роста [1367, 143] и дифференцировки [1078], а также, по-видимому, воздействуют на фосфорилирование рецептора фактора роста эпидермиса (ФРЭ) — возможно, путем прямого взаимодействия [143]. При этом роль углеводного компонента гликопротеинов, и особенно рецепторных белков, не совсем ясна. Как показано в следующем разделе, глико-зилирование может играть модулирующую или регуляторную роль при функционировании некоторых рецепторов, необходимых для межклеточной адгезии.

9.3. Рецепторы, определяющие клеточную адгезию

Один из основных классов рецепторов клеточной поверхности участвует в клеточной адгезии. Этот класс включает рецепторы, которые необходимы для узнавания клетками друг друга и для их адгезии, а также рецепторы, ответственные за связывание клеток с нерастворимыми компонентами внеклеточного матрикса, такими, как фибронектин или коллаген у животных. За связывание ответственны взаимодействия как между белками, так и между белками и сахарами. Способность клеток к специфическому взаимному узнаванию и адгезии крайне важна для эмбрионального развития; выявлены некоторые компоненты клеточной поверхности, необходимые для этого. У взрослого животного адгезивные взаимодействия

402 Глава 9

«клетка — клетка» и «клетка — матрикс» продолжают оставаться существенными для поддержания стабильности тканей. Те специфические системы, которые удалось исследовать, включают межклеточное узнавание при иммунном ответе, при миграции лимфоцитов к местам их назначения и при индукции адгезивных свойств у тромбоцитов прн свертывании крови. Большую роль в исследовании этих систем сыграло использование методов молекулярной биологии, выявившее структурные взаимосвязи между рецепторами. Рассмотрим некоторые из рецепторов адгезии.

9.3.1. СВЯЗЫВАНИЕ БАКТЕРИЙ С ГЛИКОЛИПИДАМИ

Множество бактерий образуют колонии на твердых субстратах, а в некоторых случаях прилипают к специфическим поверхностям. Из бактериальных структур, участвующих в этом процессе, лучше всего охарактеризованы ворсинки [1330]. Это длинные нитевидные отростки, не имеющие аналогов среди высших организмов. Примером могут служить ворсинки, обнаруженные у патогенных штаммов Е. coli, которые вызывают инфекционные заболевания мочевых путей человека [860]. Ворсинка содержит -1000 белковых молекул, образующих спираль, иа конце которой находится рецепторный белок (адгезии), специфически связывающийся с дигалактозидсодер-жащими гликолипидами. Эти липиды присутствуют на поверхности эпителиальных клеток, выстилающих мочевые пути, где и размножаются бактерии. Заметим, что необходимым условием выполнения адгезином его функций является локализация этого белка на значительном расстоянии от клеточной поверхности, обычно покрытой липополисахаридами (рис. 4.6.). Адгезии функционирует как лектин, т. е. сахаросвязывающий белок.

9.3.2. «ХОМИНГ» ЛИМФОЦИТОВ: СТВОЛОВЫМ КРОВЕТВОРНЫМ КЛЕТКАМ ТОЖЕ НУЖНЫ ГЛИКОПРОИЗВОДНЫЕ

Лимфоциты непрерывно циркулируют между кровью и лнмфо-идными органами (такими, как селезенка, аденоиды, миндалины). Именно в этих органах концентрируется антиген из всех межклеточных пространств, подвергается процессингу и становится доступным для антигенспецифичных лимфоцитов, вызывая иммунный ответ. Лимфоциты мигрируют между кровотоком и лимфоидными органами по лимфатическим сосудам, и из всех клеток крови только рециркулирующие Т- и В-лимфоциты прилипают к внутренним поверхностям стенок этих сосудов и затем мигрируют к лимфоид-ным органам. Такая миграция называется «хомингом», и для этого необходимы специфические рецепторы на клеточной поверхности

Клеточная поверхность 403

[484, 1339]. Хоминг-рецептор — это белок с мол. массой -90 кДа, который ковалентно присоединен к убиквитину. Убиквитин представляет собой низкомолекулярный полипептид (8.451 кДа), ковалентно связанный с многочисленными цитоплазматическими белками и участвующий во внутриклеточной деградации белков [1339]. Роль убиквитина, присоединенного к виецитоплазматическому домену этого рецептора клеточной поверхности, неизвестна. Вероятно, однако, что подобным образом модифицируются и другие белки клеточной поверхности, поэтому такой механизм может иметь большое значение [1339].

Хоминг-рецептор, по-видимому, является также пектином, который узнает углеводную часть гликосоединений на поверхности эн-дотелиальных клеток [484]. В этом процессе участвует маннозо-6-фосфат.

Стволовые кроветворные клетки тоже способны к хомингу [8]. Эти клетки, дифференцирующиеся в макрофаги и в клетки других типов, обладают сродством к клеткам стромы костного мозга и селезенки. Именно здесь происходит пролиферация и дифференцировка этих клеток. Хотя соответствующий рецептор н не был выделен, можно предположить, что он узнает галактозные и маннозные остатки гликопроизводных в тканях-мишенях. Поэтому взаимодействия белок/сахар важны для адгезии.

9.3.3. МОЛЕКУЛЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В КЛЕТОЧНОЙ АДГЕЗИИ [268, 270]

Для идентификации белков клеточной поверхности, участвующих во взаимодействиях между клетками, с успехом использовались моноклональные антитела. Соответствующие белки были названы молекулами клеточной адгезии, или САМ (от англ. cell adhesion molecules). Наиболее полно охарактеризовано семейство гликопротеинов, участвующих в адгезии нейронов (N-CAM). Сходные молекулы были обнаружены в мозгу мыши, цыпленка и человека. Во время развития отдельного организма N-CAM экспрессиру-ются в нескольких формах в разное время в различных тканях. Не исключено, что сложная картина адгезии нейронов во время развития мозга обусловлена дифференциальной экспрессией и посттрансляционными модификациями небольшого числа молекул (САМ), а не участием большого количества высокоспецифичных белков адгезии. N-CAM являются гомофильными соединениями, т. е. молекула N-CAM одной клетки связывается со сходной молекулой другой клетки. Хотя эти белки адгезии гликозилированы, углеводы не являются необходимыми для взаимодействия, приводящего к связыванию. Однако гликозилирование может влиять на взаимодействие;

404 Глава 9

так, при переходе от эмбрионального мозга к мозгу взрослого организма число остатков сиаловой кислоты в N-CAM уменьшается в три раза, что коррелирует с увеличением адгезивиости. Возможно, гликозирование играет регуляторную роль [1412].

Другие посттрансляционные модификации N-CAM включают фосфорилирование сериновых и треониновых остатков в цитоплаз-матическом домене, ацилирование жирных кислот и сульфирование N-концевых олигосахаридов. Возможно, все эти модификации являются способами регуляции биологических функций N-CAM. Кроме того, из-за альтернативного сплайсинга мРНК N-CAM продуцируются в трех разных формах (180, 140 и 120 кДа). Эти варианты N-САМ экспрессируются в разное время и в различных местах. Два из них предположительно содержат гидрофобную спираль, погруженную в мембрану, и протяженные С-концевые домены на цитоплазматической стороне мембраны. Эти две формы отличаются наличием в цитоплазматическом домене участка длиной 261 аминокислотный остаток. У третьей формы гидрофобный домен отсутствует, и, по-видимому, этот белок связывается с наружной поверхностью мембраны с помощью фосфоинозитольного мостика (разд. 3.8). Специфические биологические функции разновидностей N-CAM неизвестны.

Анализ аминокислотной последовательности N-CAM, проведенный с помощью кДНК, показал, что N-CAM относятся к иммуно-глобулиновому суперсемейству. N-CAM содержат пять смежных доменов протяженностью - 100 аминокислотных остатков каждый, которые гомологичны ие только друг другу, но и иммуноглобулинам. Следовательно, N-CAM состоят из иммуноглобулинопо-добных доменов и филогенетически родственны иммуноглобулинам. Это суперсемейство [665] включает также другие белки клеточной поверхности, которые функционируют как рецепторы, в том числе T-клеточный рецептор и главные комплексы гистосовместимости МНС (рис. 9.3). В него входит также миелинсвязанный гликопротеин [810], который, вероятно, участвует во взаимодействии между аксонами и миелинизированными клетками периферической нервной системы. По своей структуре он весьма сходен с N-CAM, что предполагает наличие общей структурной основы у представителей одного класса молекул клеточной адгезии.

Основную роль в функционировании N-CAM играют гомофиль-ные белок-белковые взаимодействия между иммуноглобулинопо-добными доменами. Однако N-CAM связывается также с гепарином с помощью домена, расположенного вблизи N-конца [233], и это взаимодействие может играть роль в межклеточных контактах [232]. Таким образом, N-CAM полифункционален. На рис. 9.4 схематически представлена структура N-CAM [434], построенная по результатам исследований с использованием моноклональных анти-

Клеточная поверхность 405

Рис. 9.3. Доменная структура нескольких представителей суперсемейства иммуноглобулинов [665]. С и V — константные и вариабельные домены иммуноглобулина. Во всех случаях С-коицы обращены в цитоплазму.

Полисиа-

Рис. 9.4. Схематическое изображение N-CAM [464]. С помощью пунктирных линий указаны три формы N-CAM, которые различаются своими С-концевыми цитоплазма-тическими частями. Указано также уменьшение содержания полисиаловой кислоты у взрослой формы N-CAM. Ромбиками обозначены места гликозилирования (СНО). Действительный характер укладки полипептидиой цепи неизвестен.

406 Глава 9

тел. Идентифицированы и другие виды САМ, отличные от N-CAM. Один из них, нейроглиальный, или Ng-CAM, выделен из эмбриона цыпленка. N-CAM участвует в адгезии нервных клеток (гомотипи-ческое связывание), a Ng-CAM — нервных клеток и клеток глии (ге-теротипическое связывание). Время появления и клеточная локализация Ng-CAM отличны от таковых у N-CAM [1446]. Возможно, запрограммированное появление Ng-CAM вместе с N-CAM помогает в регуляции образования нервной сети. Взаимодействия, в которых участвуют эти САМ, не зависят от ионов кальция.

Обнаружен отдельный класс белков САМ, которые опосредуют Са2 +-зависимые межклеточные взаимодействия [1081,1220]. Эти белки были названы кадхеринами [1081] и включают в себя эпителиальный (Е) кадхерии [1335], плацентарный (Р) кадхерин [1081] н увоморулин [1220] мышей. Гомолог Е-кадхерина цыпленка называется L^CAM [485]; оба этих гликопротеина опосредуют взаимодействия между эпителиальными клетками. Сходство аминокислотных последовательностей Са2 +-зависимых белков САМ свидетельствует о том, что они образуют отдельное суперсемейство молекул адгезии [1081, 1220]. Например, результаты определения полной аминокислотной последовательности L-CAM по данным секвенирования кДНК показывают, что его мол. масса составляет 79,7 кДа (без учета вклада гликозилирования), однако гомология с белком N-CAM отсутствует и L-CAM не принадлежит к суперсемейству иммуноглобулинов. Тем не менее в молекуле САМ имеются три соседних гомологичных сегмента длиной по 113 аминокислотных остатков, а в молекуле N-CAM — пять таких сегментов, что указывает на сходство структурной организации упомянутых белков.

Дальнейшие исследования белков САМ прольют свет на механизмы межклеточного узнавания и адгезии во время эмбриогенеза и множества других клеточных процессов.

9.3.4. РЕЦЕПТОРЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В МЕЖКЛЕТОЧНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРИ ИММУННОМ ОТВЕТЕ [963, 732, 647, 924]

При исследовании САМ выявился один неожиданный факт: в межклеточных взаимодействиях при эмбриогенезе участвует относительно небольшое число структурно различающихся САМ, а для взаимодейств

страница 57
< 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
(19.10.2017)