Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

аствуют в регуляции [610]. Получены мутанты, содержащие очень мало фосфатидилглицеролфос-фатсинтазы, у которых единственным основным фосфолипидом является фосфатидилэтаноламин [999]. Очищены некоторые ферменты биосинтетического пути, в том числе CDP-диглицеридсинтаза (стадия 3) [1366] и фосфатидилсеринсинтаза (стадия 4) [1188]. Первый фермент, как и ожидалось, связан с мембранами, но фосфатидилсеринсинтаза связана с рибосомами в бесклеточных экстрактах Е. coli.

Эукариоты [1498]

На рис. 10.17 представлена более сложная суммарная схема биосинтеза фосфолипидов в эукариотических клетках. Синтез жирных кислот происходит как в эндоплазматическом ретикулуме, так и в митохондриях. В качестве субстрата используется ацил-СоА, поскольку животные клетки не содержат эквивалента белку — переносчику ацил а. Большинство ферментов, участвующих в биосинтезе фосфолипидов, локализовано на цитоплазматической стороне мембраны эндоплазматического ретикулума, но есть и исключения. В эукариотических клетках, как и в Е. coli, синтез фосфатидилглицеро-ла и кардиолипина может осуществляться через промежуточное образование CDP-диацилглицерола. Однако ферменты, необходимые для этого, содержатся во внутренней мембране митохондрий, и эти фосфолипиды обнаруживаются только в митохондриях. Низшие эукариоты (например, дрожжи) тоже могут синтезировать фосфатидилсерин с помощью механизма, используемого Е. coli, но соответствующий фермент [1069] обнаружен как в эндоплазматическом ретикулуме, так и в митохондриях. В дрожжах на долю фосфатидилсерина приходится только около 5% всех фосфолипидов, но он является предшественником фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина.

Биогенез мембран 503

. ¦ 8 митохондриях : ¦ Фосфатидилглицерол-\

¦¦ CDp-Диацилглицерол

Фосфатидилгли церал

Фосфолированные производные фосфатилинозитола

Кардио-

липин

в митохонд-'-риях

Сфингомиелин

-CDP-Холин

г-OOCR,

1— ОН

Диацилглицерол

CDP-Зтаноламин

Рис. 10.17. Общая схема биосинтеза фосфолипидов в эукариотических клетках. Обратите внимание, что имеются два пути образования конечных продуктов. Один из них начинается с CDP-диацилглицерола (слева вверху), а другой — с диацилглицерола [справа внизу). Хотя большинство ферментов, катализирующих эти реакции, находятся в эндоплазматическом ретикулуме, ферменты, необходимые для синтеза фосфати-дилглицерола и кардиолипина, как и фосфатидилсериндекарбоксилаза, локализованы в митохондриях. У дрожжей фосфатидилсерин синтезируется из CDP-диацилглицерола, как в бактериях. У высших эукариот он синтезируется непосредственно из фосфатидилэтаноламина или фосфатидилхолина с помощью обменивающих ферментов.

Эукариоты, в том числе и дрожжи, могут синтезировать фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин в ходе реакции с участием 1,2-диацилглицерола (рис. 10.17). Это основной путь синтеза фосфолипидов в животных клетках. Затем специальные ферменты [794], находящиеся в эндоплазматическом ретикулуме высших эукариот (но ие дрожжей), катализируют реакцию обмена полярных головок, в результате чего образуется фосфатидилсерин. Эта реакция необходима высшим эукариотам для получения фосфатидилсерина. После образования в эндоплазматическом ретикулуме фосфатидилсерин декарбоксилируется (по крайней мере в некоторых клетках) до фосфатидилэтаноламина. Фермеит, катализирующий эту реакцию, фосфатидилсериндекарбоксилаза, находится в митохондриях. Следовательно, фосфатидилсерин может быть главным предшественником фосфатидилэтаноламина в клетке [794, 1521]. Для осу-

504 Глава 10

ществления этой последовательности реакций должен происходить перенос липидов между эндоплазматическим ретикулумом и митохондрией. Фосфатидилэтаноламин может превращаться в фосфати-дилхолин с помощью одной или двух метилаз, содержащихся в эидоплазматическом ретикулуме [1118, 769], но этот путь обычно не является главным.

Двумя липидными компонентами, которые локализуются в основном в плазматической мембране, являются сфингомиелин и холестерол. По-видимому, сфингомиелин образуется в некоторых клетках путем переноса фосфатидилхолиновой группы от фосфатидилхолина на церамид с помощью какого-то фермента, присутствующего в плазматической мембране. Напротив, несмотря на то, что холестерол концентрируется в основном в плазматической мембране, он синтезируется при участии ферментов, содержащихся в гладком эидоплазматическом ретикулуме и, возможно, в пероксисо-мах [1451].

10.4.2. ТРАНСПОРТ ЛИПИДОВ ОТ МЕСТА ИХ СИНТЕЗА [298, 1520]

Перенос мембранных липидов от места их синтеза к месту назначения осуществляется при помощи двух процессов: 1) трансмембранного флип-флоп-перехода; 2) внутримембранного транспорта. Данные о скорости флип-флопа обсуждались в разд. 4.4.3 в связи с асимметрией мембраны. Скорость флип-флоп-перехода фосфолипидов особенно велика для тех мембран, в которых происходит биосинтез липидов; ее характерное время составляет величину порядка нескольких минут. Имеются данные о том, что этот процесс осуществляется при участии белков и, возможно, требует гидролиза АТР. Было также показано, что холестерол способен к быстрому спонтанному флип-флоп-переходу [298]. Следовательно, транспорт через мембрану эндоплазматического ретикулума из цитозоля в просвет происходит довольно быстро.

В транспорте липидов от одной клеточной мембраны к другой участвуют несколько процессов. В разных случаях наиболее важным может оказаться какой-то один из них.

1. Самопроизвольный перенос липидов путем диффузии мономерных липидных единиц через водную фазу.

2. Диффузия липидов через постоянные или временные места соединения двух контактирующих мембран.

3. Транспорт с участием белков, катализируемый или белками, облегчающими высвобождение липидов из донорной мембраны, или липидсвязывающими белками.

4. Транспорт с участием везикул, при котором липиды, как и мембранные белки, транспортируются в ходе непрерывного отпо-

Биогенез мембран 505

Рис. 10.18. Профиль свободной энергии для лимитирующей скорость десорбции липида из бислоя [1154]. Заметим, что при равенстве других параметров высота активаци-онного барьера солюбилизации будет расти пропорционально стандартной свободной энергии переноса в воду, причем свободная энергия связана с критической концентрацией мицеллообразоваиия (разд. 2.3.2). ч

чковывания и слияния с мембранами внутриклеточных везикул. Этот процесс может быть энергозавнсимым.

Рассмотрим вначале, что известно о самопроизвольной диффузии мембранных липидов между мембранами [1154, 298]. Как показывают многочисленные исследования, липиды могут самопроизвольно перемещаться между моноламелляриыми везикулами или между фосфолипидными везикулами и биомембранамн. В большинстве случаев (но не всегда [1044]) при этом происходит десорбция мономериых липидов с поверхности донорной мембраны и свободная диффузия через водную среду к акцепторной мембране. Лимитирующим этапом (по крайней мере при избытке акцепторных мембран) является высвобождение липидов из донорной мембраны. В этих условиях характерное время переноса зависит от величины свободной энергии десорбции (рис. 10.18). Ясно, что менее водорастворимые липиды (т. е. липиды с низкой критической концентрацией мицеллообразоваиия) должны преодолевать при десорбции более высокий энергетический барьер, а следовательно, их перенос должен осуществляться медленнее. Скорость переноса зависит не только от гидрофобности переносимого липида, но и от состава и физического состояния донорного бислоя [153, 63, 1618]. Например, ганглиозид GMb находясь в фосфатидилхолиновых везикулах, существует в монодисперсном состоянии. Благодаря наличию гидрофильных полярных групп он не совершает флип-флоп-переходов че-

506 Глава 10

рез мембрану везикул, но характерное время его переноса везикулами составляет около 40 ч при 45 °С [153]. Напротив, нейтральные ганглиозиды, лишенные остатков сиаловой кислоты (например, асиало-GMi), образуют в везикулах гелеобразный кластер, и характерное время их переноса составляет около 500 ч. Смесь холестерола и фосфолипидов в везикулах тоже образует сложные фазы (разд. 2.42.), и это может влиять на кинетику переноса холестерола [63]. Стабилизация холестерола в мембране могла бы происходить за счет благоприятных взаимодействий со специфическими фосфолипидами [1618, 1557], например со сфингомиелином.

В табл. 10.2 приведены характерные времена переноса некоторых мембранных липидов. На одном конце шкалы находятся эфиры холестерола, которые являются в высшей степени неполярными и не переносятся между мембранами с помощью диффузии мономеров. На другом конце — лизофосфолипиды, очень быстро мигрирующие между мембранами. Обычно характерное время переноса холестерола составляет 1 — 2 ч. Таким образом, возникает вопрос, как поддерживается уникальное распределение липидов в различных мембранах.

Перенос новосинтезированного холестерола из эндоплазматиче-ского ретикулума в плазматическую мембрану осуществляется всего за 10 мин [298]. На процесс оказывают влияние агенты, блокирующие биоэнергетические реакции в клетке, например цианид. Эти и другие данные свидетельствуют о том, что внутриклеточный транспорт холестерола является энерогозависимым процессом и протекает при участии везикул. В принципе он может перевесить любой спонтанный перенос. Однако единого мнения на этот счет не выработано. Серьезной проблемой является то, что оценки доли холестерола, присутствующего в плазматической мембране, от общего его количества в клетке сильно варьируют (от 25 до 95%) [1493]. На первый взгляд кажется, что количество холестерола, поступающего в некоторые клетки и выходящего из них, можно оценить, используя данные о скорости самопроизвольной диффузии мономеров [1154], однако неясно, пригодны ли в данном случае механизм спонтанного переноса и указанные скорости.

Характерное время переноса фосфолипидов из фосфолипидных везикул гораздо больше, чем холестерола (табл. 10.2). Например, для дипальмитоилфосфатидилхолина оно составляет 83 ч при 37° в случае везикул из димиристоилфосфатидилхолина [1154]. Скорость переноса фосфолипидов с помощью этого механизма слишком мала, чтобы соответствовать реальным скоростям межмембранного транспорта.

Биогенез мембран 507

Таблица 10.2. Характерное время переноса фосфолипидов из фосфолипидных везикул" 11154, 153]

Соединение Характерное

время

Холестерололеат 107 ч (по

оценкам)

Холестерол 1 — 2 ч

Дипальмитоилфосфатидилхолин 83 ч 1-Пальмнтоил-2-

олеоилфосфатидил- 63 ч

холин

Димиристоилфосфатидилхолин 2 ч Пальмитоиллизофосфати-

дилхолин <0,05 ч

Ганглиозид GM, 40 ч (45°С)

Асиало-GM! 580 ч. (45°С)

0 Эксперименты проводились при 37 °С (если не оговорено иное). Состав донорных везикул в этих опытах был неодинаков. Характерное время определяется лимитирующей стадией десорбции липида из донорной везикулы.

Прокариоты

Остановимся вначале на переносе фосфолипидов в случае грамотрицательных бактерий. Это относительно простая система, поскольку в ней имеются только две мембраны [1235]. Фосфолипиды синтезируются в плазматической мембране и должны транспортироваться в наружную мембрану [1520]. Имеются данные о том, что между этими мембранами осуществляется быстрый обмен липидами. Так, фосфатидилэтаноламин достигает наружной мембраны за характерное время - 3 мин. В этом процессе не участвуют белки, липиды или АТР, ио ои каким-то образом зависит от про-тондвижущей силы. Липиды, внедрившиеся в наружную мембрану, могут также быстро перемещаться к внутренней мембране; это относится даже к фосфатидилхолину, который в норме не обнаруживается в Е. coli. Таким образом, процесс, по-видимому, не является специфическим. Тем ие менее у мутантиого штамма с дефектной диацилглнцеролкиназой диацилглицерол накапливается в плазматической мембране и к наружной мембране не транспортируется.

Механизм липидного обмена между этими двумя мембранами неизвестен, но обычно полагают, что внутренняя и наружная мембраны имеют места соединения или области адгезии. По-виднмому, именно через эти участки и происходит диффузия липидов. Здесь

508 Глава 10

же могут концентрироваться белки, экспортируемые к наружной мембране.

Эукариоты

Механизм распределения фосфолипидов в эукариотических клетках гораздо более сложен. Единственным фосфолипидом, который локализуется исключительно в месте своего синтеза, в митохондрии, является кардиолипин. Как показывают многочисленные эксперименты, внутриклеточный транспорт фосфолипидов осуществляется значительно быстрее, чем если бы он определялся самопроизвольной диффузией в водной среде [298, 1520]. Например, перенос новосинтезированного фосфолипида от эндоплазматического ретикулума к митохондриям в клетках печени крысы происходит всего за несколько минут. Поскольку декарбоксилаза, катализирующая превращение фосфатидилсерина в фосфатидилэтаноламин, содержится в митохондриях (рис. 10.17), данные о скорости этой реакции могут использоваться для контроля за переносом фосфатидилсерина из эндоплазматического ретикулума в митохондрию. Показано, что скорость переноса весьма высока и процесс ингибируется азидом и агентами, блокирующими биоэнергетические реакции. Обнаружено также, что новосинтезированный фосфолипид в течение нескольких минут транспортируется к плазматической мембране, хотя скорость переноса очень сильно зависит от самого липида и типа клетки [298, 1520]. В некоторых случаях транспорт липидов блокируется ингибиторами биоэнергетических реакций (энергетическими ядами) и/или агентами, разрушающими цитоскелет. Общепринято, что скорость переноса липидов выше скорости диффузии.

Одним из способов, позволяющих облегчить перенос фосфолипидов между мембранами, является участие в этом процессе белков. Выделен целый ряд водорастворимых белков, участвующих в межмембранном переносе фосфолипидов in vitro [200]. Все они имеют липидсвязывающие участки и образуют водорастворимые комплексы с фосфолипидами. Эти белки облегчают обмен липидов «один к одному» между мембранами путем переноса мономеров. В одних случаях (например, для фосфатидилхолинспецифического белка переноса из печени быка) связывание липидов происходит с высокой специфичностью и сродством [1492], в других сродство и специфичность относительно низки [1066]. В принципе при низком сродстве способность белка катализировать перенос липидов от одной мембраны к другой должна повышаться, поскольку белок при этом может возвращаться к донорной мембране, имея незанятый липидсвязывающнй участок. Белки, переносящие фосфолипиды, были выделены не только из животных клеток, но и из бактерий [1418] и клеток растений [126]. Очищены белки, связывающиеся с

Биогенез мембран 509

гликолипидами [1284] и длинноцепочечными жирными кислотами [141],

К сожалению, функция белков, переносящих фосфолипиды, до сих пор не продемонстрирована in vivo, поэтому неясно, играют ли они физиологическую роль во внутриклеточном переносе фосфолипидов. Не исключено, что этот перенос опосредуется везикулами, а возможно, функционируют оба механизма.

Важно понять, что так или иначе распределение фосфолипидов среди различных клеточных мембран детерминируется

страница 72
< 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
(21.10.2017)