Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

рованию прочного комплекса Са(фосфатидилсерин)г (см. разд. 7.3.3). Это приводит к дегидратации липидов, т. е. выталкиванию воды из пространства между противоположными бислоями. Mg2 + стабилизирует агрегацию везикул, но обычно не стабилизирует тесный контакт дегидратированных противоположных бислоев, причем эффективность его действия зависит от липидного содержания везикул.

Деформация, происходящая при адгезии везикул, приводит к напряжению в мембранах, которое снимается при слиянии [718]. Слияние облегчается при наличии дефектов упаковки липидного бислоя, возникающих из-за каких-то локальных флуктуации или образующихся на границе раздела фаз в присутствии Са2+. Как правило, четкой корреляции между условиями, приводящими к слиянию везикул, и условиями, облегчающими крупномасштабное разделение фаз липидов, не обнаруживается [1594]. Са2 + -индуцируемое слияние часто сопровождается лизисом.

Са2+ способствует также слиянию везикул из анионных липидов с плоскими мембранами [9]. Однако в этом случае необходимым условием является наличие осмотического градиента или на везикуле, или на плоской мембране. По-видимому, слияние стимулируется благодаря дополнительным механическим напряжениям. Высказывалось предположение, что осмотическое набухание является движущей силой слияния мембран in vivo [881], но пока это не подтверждено экспериментально [1632].

Имеет ли Са +-индуцированное слияние какое-либо физиологи-

Клеточная поверхность 427

ческое значение? Часто замечали, что во многих случаях слиянию in vivo предшествует изменение концентрации Са2+ в цитоплазме (например, такая картина наблюдается при слиянии секреторных гранул с плазматической мембраной). Но концентрации Са2 + , требуемые для этого in vitro, гораздо выше физиологических. С другой стороны, отмечалось, что если два липидных бислоя уже тесно контактируют друг с другом, то их сродство к Са2+ очень высоко и образование Са2 +-мостиков между противоположными мембранами может индуцироваться при изменениях концентрации Са2 +, не выходящих за пределы физиологического диапазона [414].

Образуются ли при слиянии липидных бислоев какие-то промежуточные формы? Этот вопрос широко обсуждался. Рассматривалась возможность существования липидных частиц и небислойных форм ([1594, 1593]; разд 2.2). Однако об образовании редко встречающихся короткоживущих промежуточных структур, возникающих при слиянии липидных бислоев, мало что известно.

2. Полиэтиленгликоль и декстран. Эти агенты используются довольно часто, но охарактеризованы они хуже, чем Са2 +. Обычно считают, что они вызывают дегидратацию везикул, приводящую к их агрегации и слиянию [897].

3. Слияние под действием электрических сил [1405]. Слияние фосфолипидных везикул, как и клеток, можно индуцировать с помощью коротких электрических импульсов. Под действием высокого напряжения в мембранах образуются поры (см. разд. 8.6.4), что может привести к образованию тесного контакта между липидными бислоями. При наложении сильного электрического поля в мембранах могут также возникнуть долговременные дефекты, которые, по-видимому, облегчают образование гидрофобных контактов между близлежащими липидными бислоями.

4. Белки и пептиды. Показано, что слиянию везикул способствуют многие растворимые белки [750] и амфифильные пептиды [1016, 1040]. Во многих случаях этот процесс зависит от рН и протекает только при протоннровании соответствующих групп белковой молекулы (рН < 6,0). Например, в кислых условиях а-лактальбумин подвергается конформационному изменению, приводящему к экспонированию гидрофобной петли, что облегчает связывание с фосфо-липидными везикулами [750]. Это каким-то образом облегчает слияние везикул. Слиянию фосфатидилхолиновых везикул способствуют два амфифильных пептида — мелиттин [1040] (см. разд. 3.7.1) и 5-гемолизин [1016] из S. aureus. Оба они имеют гидрофобный участок, который может связываться с мембранами. Вероятно, благодаря локальному раазрушению бислоя преодолеваются электростатический и гидратационнный барьеры, затрудняющие агрегацию и слияние везикул. Высказывалось предположение, что при необходимости подобные гидрофобные пептиды могут образовываться и in

428 Глава 9

vivo [879], однако убедительные данные на этот счет отсутствуют. Кроме того, известно, что отдельные участки белковых молекул могут вызывать такой же эффект без расщепления с последующим образованием пептидов.

9.5.2. ИЗУЧЕНИЕ БЕЛКОВ, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ ШИЛОВИДНЫХ СТРУКТУР ОБОЛОЧКИ ВИРУСОВ [1571, 1585]

Конечно, описанная выше способность таких белков, как а-лак-тальбумин, облегчать слияние никак не связана с их физиологической ролью. Однако имеются белки, функция которых состоит именно в ускорении слияния мембран. Это гликопротеины шиловидных структур оболочки вирусов животных. Вирионы этих вирусов имеют бислойную липидную оболочку, с которой связаны вирус-специфические белки (см. разд. 4.5.3), опосредующие слияние вирусов с клеткой (рис. 9.10). Некоторые вирусы (например, вирус Сендай) сливаются с плазматической мембраной, другие (например, вирус гриппа) связываются с рецепторами на плазматической мембране (сиалогликопротеинами) и проникают в клетку путем эндоцитоза. Эти вирусы сливаются с мембраной эндоцитозных пузырьков только после закисления их содержимого (при рН 5—6).

Белки шипов выполняют две функции: 1) с их помощью вирусная частица прикрепляется к мембране животной клетки, обычно к гликопротеину или гликолипиду: 2) вероятно, они взаимодействуют непосредственно с мембраной клетки-мишени, так что мембра-

(А) Слияние сплазматичесноймембраной

(б) Слияние 6эндосоме

Рис. 9.10. Механизмы проникновения вирусов с оболочкой в клетку [1571]. А. Проникновение в клетку парамиксовируса (например, вирус Сендай) при нейтральном рН. Б. Механизм, используемый многими другими вирусами, в том числе вирусом гриппа. Через окаймленные ямки вирус попадает в эидоцитозные везикулы. При закислеиии вакуоли индицируется слияние вирусной мембраны и мембраны эндосомы.

Клеточная поверхность 429

ны вируса и клетки-хозяина приходят в тесный контакт и их слияние ускоряется. У некоторых вирусов функции прикрепления и ускорения слияния выполняют разные белки, а у других — один и тот же белок. В качестве примера можно привести В-белок вируса везикулярного стоматита и гемагглютинин (НА) вируса гриппа, участвующие в обоих процессах. Каждый из этих белков представляет собой гомотример, состоящий из трех идентичных субъединиц. Белки были очищены и встроены в липосомы, которые приобрели способность как к приклеплению, так и к слиянию [977]. Способность к слиянию в обоих случаях проявлялась только прн слабо кислых условиях, которые соответствовали значению рН внутри эндоцитозных пузырьков. Эта способность, по-видимому, определялась небольшими сегментами белков, находящимися вблизи N-конца. Синтетический пептид из 25 аминокислотных остатков, соответствующий N-концевой последовательности В-белка вируса везикулярного стоматита, проявляет рН-зависимую гемолитическую активность, сходную с таковой самого вируса [1295]. Как соотносится это наблюдение со свойствами G-белка, пока неясно [1604].

Дополнение 9.3. Гемагглютинин вируса гриппа — наиболее полно охарактеризован ная гликопротеиновая структура

Этот белок связан с вирусной мембраной с помощью короткого трансмембранного домена на С-конце. Он синтезируется как единая полипептидная цепь, но при созревании претерпевает протеолитиче-ское расщепление с образованием двух полипептидов, HAi и НА2, связанных дисульфиднои связью. Участок, отвечающий за слияние, локализован на N-конце НА2. Он соответствует N-концу G-белка вируса везикулярного стоматита.

С помощью рентгеновской кристаллографии была определена трехмерная структура водорастворимого домена гемагглютинина [1595] (рис. 9.11). Этот домен получают с помощью расщепления бромелаином. Он представляет собой трнмер из (HAi + НА2)-субъ-единиц, напоминает по форме стержень и выступает из мембраны на 135 А. Каждая субъединица имеет а-спиральный «стебель» с глобулярной «верхушкой», которая содержит рецепторный участок для сиалогликосоединений.

Гидрофобный фузионный пептид спрятан между субъединицами тримера и находится на расстоянии 30 А от поверхности мембраны. Как известно, при низких рН третичная и четвертичная структуры белка необратимо изменяются [1259]. При рН 5,0 белок приобретает способность связывать липиды и детергенты и самоагре-

430 Глава 9

40 A I-" Вирусная мембрана¦ '-;Ц';.'

Рис. 9.11. Схема, иллюстрирующая основные особенности мономерной единицы белковой части гемагглютинина, полученной из вирусной мембраны с помощью бромела-ина; после обработки бромелаином в мембране остается участок длиной 46 аминокислотных остатков [1259]. В зрелой форме N-конец НАг (N2) и С-конец HAi (О) находятся друг от друга на расстоянии 21 А. Протеолитическое расщепление участка между этими остатками существенно для созревания. Фузионный пептид находится на N-koh-це НАг. На самом деле белок является тримером, состоящим из трех таких субъединиц. Детальная его структура получена кристаллографическим методом.

гируется, что позволяет думать об экспонировании гидрофобного домена. По-видимому, это коррелирует с экспонированием фузион-ного пептида, который теперь может связаться с мембраной-мишенью, способствуя сближению обеих мембран и облегчая их слияние. Были выделены [280] и получены in vitro [510] мутанты с другими рН-оптнмумом и фузноинымн свойствами. Это подтверждает важность контактирования субъединиц при рН-зависи-мом конформационном изменении структуры белка [280] и роль фу-зионного пептида [510]. Гемагглютинин ацилирован жирными кислотами, которые, по-видимому, усиливают фузионную активность [817].

Клеточная поверхность 431

Суммируя все сказанное выше, можно сделать вывод, что, хотя физико-химические механизмы слияния мембран до конца не установлены, очевидно, что специфическое слияние мембран внутри клетки может осуществляться с помощью некоего белокзависимого процесса. Для этого должно произойти специфическое межмембранное взаимодействие, обеспечивающее прикрепление мембран друг к другу, и должен присутствовать мембранный белок, который при необходимости обеспечивает слияние. Для изучения свойств таких белков можно использовать белки, образующие шиловидные структуры вирусных частиц. Но могут применяться и другие модельные системы. Вероятно, семейство таких белков участвует в слиянии мембран как при экзоцитозе, так и при эндоцитозе.

9.6. Рецепторные системы бактерий обладают некоторыми свойствами, присущими и высшим организмам

В первой части этой главы мы говорили о рецепторах, предназначенных исключительно для адгезии и поглощения макромолекул, и указывали на динамическое состояние плазматической мембраны как компонента эндоцитозного пути. Во второй части мы остановимся на вопросе о том, как клетки отвечают на внешние химические сигналы (метаболиты, гормоны или нейромедиаторы). Во всех клеточных ответах участвуют системы передачи сигнала, которые преобразуют событие, происходящее вне клетки, — связывание лиганда с рецептором, — в сложный внутриклеточный ответ. В этом разделе мы рассмотрим системы передачи сигналов у бактерий, а далее суммируем данные по таким системам у животных клеток.

Бактерии реагируют на изменение концентрации различных растворимых веществ в окружающей среде. Свободноплавающие бактерии, например Е. coli, обладают способностью к хемотаксису и при увеличении содержания в среде специфических питательных веществ перемещаются вверх по градиенту их концентрации, к источнику питания. В этом процессе участвуют рецепторы цитоплазматической мембраны, которые связываются с «привлекательным» для бактерии растворенным веществом и индуцируют серию событий в цитоплазме, приводящих к вращению жгутиков. Сходным образом клетки Е. coli реагируют на уменьшение концентрации фосфата или азота, синтезируя белки, которые придают клеткам способность «улавливать» эти компоненты из окружающей среды. В этом процессе также участвуют специфические рецепторы цитоплазматической мембраны.

Такие системы ответа активно изучались в первую очередь с по-

432 Глава 9

мощью генетических и молекулярно-биологическнх методов. Данные по гомологии аминокислотных последовательностей позволили идентифицировать два семейства белковых рецепторов прокариот.

1. Рецепторы, участвующие в хемотаксисе (Е. coli, S. typhimur-ium) и влияющие на вращение жгутиков.

2. Рецепторы, опосредующие ответы, которые влияют на аппарат транскрипции и активность генов.

Изученные типы рецепторов поражают своим сходством с рецепторами, характерными для клеток высших организмов. Краткое знакомство с некоторыми из них послужит введением к обсуждению в разд 9.7 более сложных систем у клеток животных.

9.6.1. РЕЦЕПТОРЫ, ОТВЕТСТВЕННЫЕ ЗА ХЕМОТАКСИС Е. coli

К этому семейству белков относятся четыре рецептора. Их часто считают продуктами четырех генов — tsr, tar, tap и trg. Например, Wr-белок связывается с аттрактантом серином, а также опосредует хемотаксис в ответ на репеллент лейцин. Наиболее полно изучен рецептор для аспартата (продукт гена tar), который связывается с аттрактантом аспартатом, а также с мальтозосвяззывающим белком (см. разд. 8.4.3). Все четыре рецептора содержат единственную полипептидную цепь (-60кДа). Данные об их первичной структуре позволяют предположить, что это трансмембранные белки, которые имеют по две пронизывающие мембрану а-спирали. Характер укладки рецептора для аспартата, представленный на рис. 9.12, согласуется с результатами экспериментов по слиянию генов [918], а также с генетическими [1264] и биохимическими [454] данными. Биохимические свойства рецептора для аспартата [454] свидетельствуют о том, что он, по-видимому, представляет собой тетрамер. Все четыре хемотаксических белковых рецептора имеют высококонсервативные С-концевые половины, составляющие ци-топлазматические домены; N-коицевые части, составляющие пери-плазматические домены, гораздо менее консервативны.

Рецептор для аспартата выполняет три разные функции.

1. Связывание аспартата, за которое ответствен N-концевой домен, обращенный в периплазму. Белки с укороченным цитоплазма-тическим доменом тем не менее связываются с аспартатом нормально.

2. Передача сигнала, в которой участвуют аминокислотные остатки трансмембранных спиралей [1095]; об этом свидетельствуют результаты замещения лизина в положении 19 на аланин в первой трансмембранной спирали (рис. 9.12). Полученный мутантный рецептор связывает аспартат, но не индуцирует ответной реакции, что, вероятно, обусловлено изменением конформации белковой мо-

Клеточная поверхность 433

Аспартат

Периплазма \-Мем6рана-У///У//У^

Цитоплазма

Рецептор аспартата

Мети лтрансфера за

Рис. 9.12. Модель хемотаксического рецептора Е. coli для аспартата [4541. Показано положение двух гидрофобных сегментов, а также места ковалентной модификации при метилировании и дезаминировании (отмечены точками). Схематически изображена метилтрансфераза. Реальная укладка полипептидных цепей неизвестна.

лекулы. Показано также, что рецептор может связываться

страница 61
< 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
(26.09.2017)