Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

другие липиды, которые можно отнести к разряду минорных компонентов вследствие их малого содержания в мембранах. Так, в мембранах обычно обнаруживаются, хотя и в очень малых количествах, свободные жирные кислоты и лизофосфолипиды. Пожалуй, исключением из этого правила являются мембраны хромаффинных гранул, которые, как известно [668], содержат необычно много свободных жирных кислот. Минорными компонентами мембран являются также моноацил- и диацилглице-ролы. Диацилглицеролы выполняют важную функцию вторых посредников в передаче сигнала при активации клеток рядом биологически активных веществ. Эта система клеточного отклика на внешний стимул будет детально рассмотрена в гл. 9. В мембранах обычно присутствуют и полиизопреноидные липиды. К ним относятся убихиноны и менахиноны — компоненты цепи электронного транспорта в мембранах. Можно отметить также ундекапренол и долихол, которые являются липидными переносчиками промежуточных продуктов соответственно при биосинтезе клеточной стенки у прокариот и при биосинтезе гликопротеинов в аппарате Гольджи эукариот. Длина молекул этих липидов в вытянутом состоянии значительно превышает толщину бислоя, поэтому неизвестно, как эти молекулы в нем расположены. Неясно также, почему липидными переносчиками служат именно полиизопреноидные структуры.

1.5.2. МНОГООБРАЗИЕ ФУНКЦИЙ МЕМБРАННЫХ ЛИПИДОВ

Совершенно очевидно, что липидный состав различных мембран не является случайным [1257], однако удовлетворительного объяснения этому феномену не найдено. Любая конкретная мембрана может содержать более ста разных типов липидных молекул. Почему их так много и почему каждая мембрана имеет уникальный липидный состав? Пути биосинтеза мембранных липидов и механизмы их доставки к местам назначения обсуждаются в разд. 10.4. Становится все более очевидным, что липиды активно участвуют в процессах, протекающих в мембранах, однако причины их разнообразия неясны. Рассмотрим некоторые факторы, возможно, определяющие липидный состав мембраны.

1. Смесь липидов обязательно должна быть способна образовать стабильный бислой, в котором могли бы функционировать белки. Этот вопрос будет рассматриваться в следующей главе.

Введение: структура и состав биологических мембран 45

2. Некоторые липиды способствуют стабилизации сильно искривленных участков мембраны, образованию контакта между мембранами или связыванию определенных белков [303, 267, 272], поскольку форма этих молекул благоприятствует нужной упаковке бислоя на соответствующих участках мембраны. Полиморфизм мембранных липидов обсуждается в следующей главе.

3. Некоторые липиды являются важными биорегуляторами. Наиболее изучена в этом отношении регуляторная роль производных фосфатидилинозитола в плазматических мембранах клеток эукариот (см. разд. 9.7.3).

4. Некоторые липиды участвуют в реакциях биосинтеза. Например, в клетках Е. coli фосфатидилглицерол поставляет глицерофос-фатный фрагмент при биосинтезе периплазматических олигосахаридов (см. разд. 10.4.3).

5. Отдельные липиды необходимы для поддержания оптимальной активности ряда ферментов. Этот вопрос рассматривается в гл. 6.

6. Ганглиозиды, как полагают, играют важную роль в регуляции роста клеток [1368], являются специфическими рецепторами в плазматической мембране [210] и ответственны за клеточную адгезию [812].

7. Специфические функции могут выполнять и другие липиды. К ним относятся полиизопреноиды (например, долихол, убихиноны, менахиноны и каротиноиды), а также фактор активации тромбоцитов [576].

Как было показано экспериментально, организмы часто могут выдерживать — причем без всяких последствий — существенные изменения липидного состава мембран. Например, с помощью генетической трансформации можно получить штаммы Е. coli, в мембранах которых содержится 34% фосфатидной кислоты, обычно отсутствующей в штаммах дикого типа [1365] (см. рис. 10.16). Очевидно, тот липидный состав, который характерен для штаммов дикого типа, не является обязательным для выживания клеток, по крайней мере в условиях их выращивания в лаборатории.

1.5.3. МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ

Как видно из табл. 1.3 и 1.4, мембраны содержат от 20 до 80% (по весу) белка. Как правило, именно белки ответственны за функциональную активность мембран. К ним относятся разнообразные ферменты, транспортные белки, рецепторы, каналы, поры и т. д., которые обеспечивают уникальность функций каждой мембраны. Первые успехи в изучении мембранных белков были достигнуты тог-*а, когда биохимики научились использовать детергенты для выделения мембранных белков в функционально активной форме. Это

46 Глава 1

были работы по изучению ферментных комплексов внутренней мембраны митохондрий. Значительным шагом вперед было осознание того, что мембранные белки имеют не исключительно /3-складчатую структуру, как предполагалось в модели «элементарной мембраны» Дэвсона—Даниелли—Робертсона, а содержат достаточно много а-спиралей. Важное значение имел также вывод о том, что мембранные белки могут глубоко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его и что их стабилизация осуществляется за счет гидрофобных взаимодействий. Эти термодинамические представления существенно обогатили принцип «гидрофобных сил», предложенный для объяснения структуры белков и предполагавший существование неполярной, гидрофобной области внутри белковой глобулы и полярных, гидрофильных участков, контактирующих с водной средой.

По мере совершенствования методов очистки удавалось получать в изолированном виде все большее число мембранных белков. Определение первичной структуры большинства из них было затруднено из-за плохой растворимости в воде как самих белков, так и получаемых из них гидрофобных пептидов. В середине 1970-х гг. эта проблема была решена для двух мембранных белков — гликофорина и цитохрома bs, что позволило установить основной принцип структурной организации интегральных белков. В аминокислотной последовательности гликофорина — сиалогликопротеина из мембраны эритроцитов — был обнаружен короткий участок, состоящий из 23 неполярных аминокислот и расположенный примерно в середине цепи [1461] (см. рйс. 3.17). Данные топологических и других исследований показали, что молекула гликофорина полностью пронизывает мембрану, причем погруженный в мембрану гидрофобный участок имеет а-спиральную конфигурацию [475]. Так вошла в жизнь новая, теперь уже общепризнанная концепция о наличии в мембранных белках а-спиральных доменов, пронизывающих мембрану. Эта концепция была полностью подтверждена при изучении трансмембранных белков с помощью методов, которые позволяют получить максимально возможное в наше время разрешение. Судя по результатам реконструкции электронно-микроскопических изображений препаратов бактериородопсина из пурпурной мембраны Halobacterium halobium [619] и по данным рентгеноструктурного исследования фотосинтетических реакционных центров бактерий [319], эти белки содержат несколько а-спиральных участков, последовательно пересекающих бнслой (гл. 3).

Другой вариант расположения полипептидной цепи в мембране был обнаружен при изучении аминокислотной последовательности интактной формы микросомного цитохрома bs. Было показано, что этот белок содержит относительно короткий участок вблизи карбоксильного конца, состоящий из гидрофобных аминокислот [1113, 437] (см. разд. 4.2.2). Этот «гидрофобный якорь» можно было удалить

Введение: структура и состав биологических мембран 47

с помощью протеолиза, причем гемсвязывающий домен высвобождался в водорастворимой форме. Локализованный в мембране гидрофобный домен, или «якорь», стал еще одним характерным элементом структуры мембранных белков.

В основе современных представлений о структуре мембранных белков лежит идея о том, что их полипептидная цепь уложена так, чтобы образовалась неполярная, гидрофобная поверхность, контактирующая с неполярной областью липидного бислоя. Полярные или заряженные домены белковой молекулы могут вазимодействовать с полярными головками липидов на поверхности бислоя. Многие мембранные белки являются трансмембранными и пронизывают бислой. Некоторые белки, по-видимому, связаны с мембраной лишь за счет их взаимодействия с другими белками.

Мембранные белки обычно связываются с мембраной с помощью нековалентных взаимодействий — гидрофобных или электростатических сил (см. гл. 3). Однако есть мембранные белки, которые связаны с липидами ковалентно (см. разд. 3.8). Такие примеры пока немногочисленны, но их появляется все больше. Многие белки плазматических мембран растительных и животных клеток (например, гликофорин) относятся к классу гликопротеинов. Углеводные остатки этих белков всегда находятся с наружной стороны плазматической мембраны.

Обычно мембранные белки подразделяют на наружные (периферические) и внутренние (интегральные). При этом критерием служит степень жесткости обработки, необходимой для извлечения этих белков из мембраны. Периферические белки высвобождаются при промывании мембран буферными растворами с низкой ионной силой, буферными растворами с низким или, наоборот, высоким значением рН и в присутствии хелатирующих агентов (например, ЭДТА), связывающих двухвалентные катионы [1438]. Как полагают, такие белки связаны с поверхностью мембраны за счет слабых электростатических взаимодействий с полярными головками липидных молекул либо с молекулами других белков. Часто бывает нелегко отличить периферические мембранные белки от белков, связавшихся с мембраной в процессе ее выделения. При обработке мембранного препарата буфером с низкой ионной силой в раствор переходит около 30% белков, связанных с мембраной эритроцитов [922, 1348]. При несколько более жесткой обработке хаотропными агентами (например, QO,f или SCN") высвобождаются периферические белки [1438]. В ряде случаев эти агенты оказывают влияние достаточно сильное, чтобы разрушить белок-белковые взаимодействия, хотя денатурации белков при этом не происходит. Действие хаотропных агентов, «нарушающих структуру воды», обусловлено главным образом ослаблением гидрофобных взаимодействий между компонентами мембраны [278] (см. гл. 2).

48 Глава 1

Для высвобождения интегральных мембранных белков необходимо использовать детергенты или даже органические растворители. Детергенты разрушают липидный бислой и, как полагают, связываются с гидрофобными участками мембранных белков, контактирующими с гидрофобной областью бислоя. Для того чтобы сохранить интегральные мембранные белки в растворенном монодисперсном состоянии, в растворе постоянно должны присутствовать детергенты. При удалении детергентов неизбежно происходят агрегация белков и их последующее осаждение. Дальнейшая информация о взаимодействиях между белками и детергентами, а также о структуре и свойствах мембранных белков содержится в гл. 3.

1.6. Резюме

Методы дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии сыграли историческую роль в развитии мембранологии и внесли решающий вклад в современные представления о биологических мембранах. Сегодня не вызывает сомнений, что липидный бислой образует структурную основу практически всех биологических мембран и что их функциональное многообразие основано именно на этом структурном единстве различных мембранных систем. Каждая отдельно взятая мембрана содержит большое число различающихся по своим химическим свойствам липидов. Причины этого разнообразия неясны, хотя появляется все больше данных об уникальных биологических функциях отдельных липидов. На долю белков приходится от 20 до 80% массы мембран. Многие из этих белков полностью пронизывают липидный бислой, и их удается солюбилизиро-вать только с помощью детергентов. Другие мембранные белки, называемые периферическими, легкое извлекаются из мембраны с помощью буферных растворов с изменяющимися рН или ионной силой либо при удалении двухвалентных катионов с помощью хелати-рующих агентов.

В настоящее время разработаны методы выделения и характеристики индивидуальных мембран из клеток прокариот, из животных и в меньшей степени из растительных клеток. Разделение чаще всего основано на различиях в размере и плотности мембранных частиц, содержащихся в гомогенате разрушенных клеток. Можно также ис-пользоать различия в поверхностных свойствах мембран или в их электрофоретическом поведении. Выделение и очистка мембран — первый и обязательный этап в их биохимическом исследовании.

Глава 2

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕМБРАННЫХ ЛИПИДОВ

В предыдущей главе вы вкратце рассмотрели историю развития концепции липидного бислоя как структурной основы биологических мембран. Прежде чем перейти к самим биологическим мембранам, следует детально проанализировать структуру липидного бислоя, а также термодинамические принципы, определяющие его стабильность. Кроме того, некоторые липиды самопроизвольно образуют структуры, не имеющие бислойной организации (такие, например, как инвертированная гексагональная фаза Ни), и эти липиды, как полагают, играют особую роль в мембранах [303, 267]. В этой главе мы рассмотрим структуру и термодинамику водно-липидных систем, уделяя основное внимание тем характеристикам, которые позволяют глубже понять свойства биологических мембран.

2.1. Жидкие кристаллы [6]

С помощью ренгтеноструктурного анализа установлена с высоким разрешением пространственная структура ряда мембранных липидов. К ним относится лизофосфатидилхолин [605], димиристо-илфосфатидная кислота [594], димиристоилфосфатидилхолин [1133], дилауроилфосфатидилэтаноламин [636], димиристоилфосфатилгли-церол [1126] и цереброзид [1125]. Кристаллы этих липидов содержат очень мало воды, однако пространственная структура липидов в них оказалась подобна той, которую они имеют в полностью ги-дратированном состоянии. На рис. 2.1 представлена пространственная структура некоторых из этих мембранных липидов в кристаллах. Атомы углерода остатка глицерола и соответствующие атомы сфингозина выделены черным цветом. На рис. 2.2 указаны некоторые структурные параметры, используемые для описания конформации липидов.

Рассмотрим кристаллическую структуру дилауроилфосфатидил-этаноамина (рис. 2.1, А) и укажем наиболее характерные ее особенности.

Структура и свойства мембранных липидов 51

Рис. 2.2. Схематическое изображение молекулы фосфатидилхолина с указанием различных участков молекулы [604]. Обратите внимание, что поперечное сечение углеводородной цепи ? перпендикулярно оси цепи. Поперечное сечение, параллельное плоскости мембраны, будет значительно больше, поскольку цепь наклонена.

1. Площадь, приходящаяся на молекулу (S, см. рис. 2.2), составляет 39 А2.

2. Полярная головка в целом ориентирована параллельно плоскости бислоя. При этом аминогруппа образует водородную связь с неэтерифицированными атомами кислорода фосфатной группы соседней молекулы. Остаток глицерола ориентирован перпендикулярно плоскости бислоя.

3. Жирнокислотная цепь sn-2 сначала идет параллельно поверхности бислоя, а после второго углеродного атома направляется в глубь бислоя.

4. Ацильные цепи расположены перпендикулярно поверхности бислоя и, за исключением начального участка sn-2 жирнокислотной

52 Глава 2

Структура и свойства мембранных липидов

страница 6
< 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
(11.12.2017)