Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

писывалась не только ли идам но и белкам, а вся мембрана рассматривалась как структура, построенная из чередующихся липидных мнцелл и белковых глобул. А. А. Бенсон (1966) рассматривал мембрану как ассоциат липопротеииовых комплексов своеобразной структуры, в которых углеводородные цепи липидов тесно переплетены с белковой полипептидной цепью и удерживаются ею за счет гидрофобных взаимодействий; при этом отрицательно заряженные головки фосфолипидов находятся на поверхности липопротеииовых комплексов. Согласно модели Д. Е. Грина и Дж. Ф. Пердью (1966), предложенной прежде всего применительно к митохондриям, основой мембраны является регулярно построенный ассоциат липопротеииовых еубъединиц довольно сложной конфигурации.

Липид

..... X

Модель Мюлеталера

Модель Брэнтона

Благодаря усилиям К. Мюлеталера (1963) и впоследствии Д. Брэнтона (1966) был разработан новый вариант электронной микроскопии, не требующий предварительной фиксации и окрашивания мембранного препарата и потому устраняющий возможность появления связанных с данными операциями артефактов. Метод, получивший название «замораживание — скалывание», и его модификация, известная как «замораживание — травление», основаны на раскалывании быстро замороженных препаратов мембран по нх гидрофобной области (рис. 316). На электронных микрофотографиях поверхность скола многих мембран выглядела как гладкий матрикс, испещренный большим количеством нерегулярно расположенных внутримем бранных частиц. Хотя электронная микроскопия не давала возможности химически идентифицировать эти характерные структурные образования, однако косвенные данные говорили о том, что внутримембранные частицы имеют белковую природу. Исходя из полученной картины, мембрану можно было представить как сложную мозаику, состоящую из липидного бислоя, в который вкраплены многочисленные мембранные белки. Некоторые из них лишь частично погружены в бислой, тогда как другие пронизывают его насквозь.

Рис. 316. Раскалывание методу «замораживания -

мембраны по -скалывания».

584

Биологические мембраны

А

Робертсон (Robertson | Джеймс Давид

(р. 1922) американский биофизик. Окончил Алабамский университет (1942), с 1966 г.— профессор университета Дьюка в Дарема. Известен работами по изучению биологически* мембран с помощью электронной микроскопии, автор унитарной модели организации мембран

В середине 60-х годов химия мембранных белков только зарождалась и делались первые попытки найти подходы к разработке методов нх выделения и характеристики. Было известно, что мембраны различного происхождения содержат разное количество белка (от 20 до 75% от сухой массы). Многие мембрано-связанные белки обладают ферментативной активностью. В ряде случаев экстракция липидов из мембраны приводила к полной утрате или к значительному снижению ферментативной активности. Иногда активность удавалось восстановить после обратного добавления липидов. Более детально изучать мембранные белки было затруднительно: они плохо растворялись как в воде, так и в органических растворителях.

Решающий сдвиг в исследованиях мембранных белков г рои-*ошел к да в экспе ри ментальную практику был введен метод электрофореза в полиакрила ми днем геле в присутствии анионного детергента - додецилсульфата натрия (А. Л. Шапиро с сотр., 1967; К. Вебер и М. Осборн. 1969). Оказалось, что большинство мембран содержат весьма богатый набор белков, причем точное определение нх числа в каждой мембране ограничивается главным образом разрешающей способностью мето дов, используемых для анализа. Эти работы положили начало широкому использованию различных детергентов для выделения, очистки и анализа индивидуальных мембранных белков.

По своему аминокислотному составу типично мембранные белки часто не отличались от обычных водорастворимых белков. Это подтверждало предположение о том, что особенностью мембранных белков является характерная последовательность расположения гидрофобных н гидрофильных аминокислотных остатков в полипептидиой цепи.

Принципиально важное значение для выработки правильного взгляда на струк-гуру мембран имело открытие В Луццати в 1468 i фазового полиморфизма вод но-липидных систем, а также установление того факта, что во многих природных мембранах липиды прн физиологических температурах находятся в жидкокристаллическом состоянии. Введенная в 1966 г. Д. Чепменом концепция текучести липидного бислоя заставила по-новому взглянуть на мембраны как на подвижную, динамичную систему, обладающую свойствами двумерной жидкости. Идея молекулярной подвижности липидов и белков в бислое была подтверждена, в частности, измерениями скорости их латеральной диффузии как в биологических, так и в мо дельных мембранах, проведенными Л. Д. фраем и М. Эди ином в 1970 г. и Г. М. Мак-Коннелом в 1971 г.

Таким образом, к началу 70-х годов накопилось достаточно много новых фактов, на основании которых С. Дж. Синджер и Г. Л. Николсон предложили в 1972 г. новую модель молекулярной организации биологических мембран, получившую название жидко-мозаичной модели (рис. 317).

Рис. 317. Модель Сннджера—Никол-сона.

В соответствии с этой моделью, структурной основой биологических мембран является лнпидный бислой, в котором углеводородные цепи молекул фосфолипидов находятся в жидкокристаллическом состоянии. В бислой, имеющий вязкость растительного масла, погружены или встроены молекулы белков, способные передвигаться по мембране. В противоположность прежним моделям, рассматривавшим мембраны как системы, состоящие из жестко фиксированных элементов, жидкомозаичнан модель представляет мембрану как «море» жидких липидов, в котором плавают «айсберги» белков.

В зависимости от прочности связи с мембраной белки в рамках мозаичной модели подразделяются на два типа: периферические и интегральные. К периферическим относятся белки, которые связаны с мембраной за счет полярных и ионных взаимодействий и относительно легко отделяются от нее в мягких условиях, например при промывании буферными растворами с различными значениями рН или ионной силы, либо растворами, содержащими комплексообразующие вещества типа ЭДТА (этилендиаминотетра уксусная кислота) или ЭГТА (|этилен бис(оксиэтилендиннтрил) | тетрауксусная кислота).

Интегральные белки имеют на своей поверхности большие гидрофобные участки и располагаются внутри мембраны. Для выделения интегральных белков необходимо сначала разрушить липидный бислой.

Солюбилизацин интегральных белков может проводиться с использованием органических растворителей, хаотропных веществ и детергентов. Применение органических растворите чей для изалечеиия липидов и освобождения интегральных белков в настоящее время является весьма ограниченным, поскольку такая обработка часто инактивирует мембранные белки. Хаотропные вещества, вызывающие нарушение упорядоченной структуры воды, тоже разрушают липидный бислой. Однако и они применяются довольно радко, так как их солюбилизирующая эффективность в большинстве случаев очень мала.

Наиболее широко применяемый в настоящее время метод солюбилизацин мембранных белков — это разрушение липидного бислоя детергентами. Чтобы в максимальной степени сохранить нативную конформацию выделяемого белка, необходимо использовать для солюбилизацин неденатурирующне детергенты. К ним. напри мер, относятся соли желчных кислот или их производные. Для солюбилизацин и очистки мембранных белков иепплыуются также такие неионные детер|-енты, как тритон, нонидет, эмульфоген, октилглюкозид и др. Интегральные белки, солюби-лизированные солями желчных кислот или неионными детергентами, как правило, сохраняют свою биологическую активность.

Хотя жидкомозаичнан модель сейчас общепризнана, следует помнить, что она все же представляет собой упрощенное и схематичное отражение столь сложной и разносторонней системы, как биологическая мембрана. Одним из основных постулатов этой модели является предположение о свободном движении молекул белков и липидов в двумерной фазе липидного бислоя. Однако вскоре выяснилось, что не все белки и липиды способны к свободному перемещению, в некоторых случаях их подвижность сильно ограничена. Во многих мембранах интегральные белки находятся в фиксированных положениях за счет высокой концентрации белка, вследствие его агрегации, образования липидных доменов, а также в результате взаимодействия белков с цитоскелетом, образуемым внутренними структурами клетки.

В некоторых мембранах значительные количества ли ид в могут находиться в сильно упорядоченном состоянии или, наоборот, в составе так называемых не бислойных фаз. Это означает, что распределение липидов вдоль поверхности мембраны не является гомогенным, как можно было бы ожидать в случае их свободной диффузии, а в значительной мере гетерогенно. Гетерогенное распределение липидов в би*1ло! нческич мембранах обусловлено также их топологической асимметрией.

Для выполнения векторных функций клеточные мембраны должны быть асимметричны, т. е. наружная и внутренняя стороны мембраны должны отличаться по

585

Молекулярная организация биологических мембран

Николсон [Hlcoljonl Гарт Л. (р. 1943), американский биохимик и биофизик. Окончил Калифорнийский университет ¦ Лос-Анжелесе (1965), с I960 г.— профессор Техасского университете в Хьюстоне Основные работы поев щены изучению молекулярных механизмов злокачественного перерождения клеток. Вместе с Дж. Синджером является автором гипотезы жидкомозаичной модели структуры биологических мембран (1971).

586 составу образующих их компонентов. В создании этой асимметрии участвуют как

_ белковые, так и липидные компоненты мембраны. Существенная особенность аснм-

Бмологические мембраны метрии липидов состоит в том, что она, в отличие от топологической асимметрии

белков, носит относительный характер: как правило, одни и те же липиды находятся как в нвружном. так и во внутреннем монослое, но концентрация их в каждом нз слоев неодинакова. Асимметрия белков в мембране является абсолютной в том отношении, что пространственная ориентация белковой молекулы в бислое всегда является однозначной.

Есчи асимметрия белков в мембранах определяется путями нх биогенеза, то трансмембранное распределение липидов может складываться также под влиянием различных условий среды по обе стороны мембраны. Существенное значение может иметь кривизна мембраны. На участках высокой кривизны различия в упаковке липидных молекул между наружным и внутренним монослоями могут быть причиной неодинакового трап мембранного распределения липидных молекул, отличающих я по стернческим требованиям и заряду.

Топологическое распределение липидов тесно связано с их межмембранным обменом, а также с трансмембранной миграцией. В модели Синджера — Николсона подразумевается, что асимметричное распределение липидов сохраняется, поскольку молекулы липидов чрезвычайно медленно переходят с одной стороны мембраны на другую. Однако исследования последних лет показали, что скорость флип-флопа в биологических мембранах может быть очень велика (полупернод — I—2 мин) причем это ускорение вызывается действием некоторых интегральных мембранных белков.

Таким образом, в настоящее время модель Синджера — Николсона нуждается в значительных уточнениях. Особенность современного этапа исследований по молекулярной организации биологических мембран состоит в том, что настала пора переходить от общих всеобъемлющих схем к построению детальных «топографических карт» конкретных мембранных систем, оценивая степень подвижности отдельных компонентов в мембране, их взаимное расположение, а также специфичность взаимодействия друг с другом. Воспользовавшись образным сравнением липидного бислоя с «морем», а белков — с «айсбергами», можно сказать: чтобы уверенно плавать в «липидном море», ие опасаясь крушений и столкновения с айсбергами, необходимо иметь на руках надежную лоцию и верный прогноз погоды. Именно в этом направлении развиваются сегодня работы по молекулярной организации биологических мембран во многих лабораториях мира.

Биогенез мембран

Трудно говорить об образовании мембран de novo, поскольку существование клетки предполагает существование ее мембран. Однако можно считать установленным, что процесс формирования клеточной мембраны идет непрерывно, путем введения в нее новых составных частей, обновления компонентов, прежде всего липидов, белков и т. п. В частности, полупериод жизни мембранных компонентов клеток печени, в течение которого обновляется половина их исходного содержания, составляет для белков микросом, ядерной мембраны и цитоплазматической мембраны 2—3 дня, белков внешней митохондриальной мембраны — 5—6 дней, внутренней мито-хондриальной мембраны — 8—10 дней, для липидов микросом — 1—2 дня. Однако, несмотря на постоянное обновление всех мембранных элементов, их структурная организация в течение жизни клетки сохраняется неизменной.

Биосинтез мембран, как правило, начинается в ндоплазмати 587

ческом ретикулуме, где образуется большая часть фосфолипидов, -

холестерина; кроме того, здесь синтезируются и многие иитеграль- Биогенез мембран

ные мембранные белкн. Затем образовавшиеся мембранные компоненты перемещаются к месту назначения, например в плазматическую мембрану; в этом случае они проходят последовательно через аппарат Гольджи и цитоплазму, модифицируясь в соответствии со своими функциональными потребностями (гликозилирова-ние, процессннг и т. п.). Перемещение осуществляется путем диффузии в форме липидных везикул; подходя к мембране, везикулы, часто нагруженные белками, встраиваются в тот или иной участок мембраны с помощью экзоцитоза. Другими словами, везикулярный транспорт мембранных компонентов функционирует в клетке постоянно и проходит с достаточно большими скоростями (рис. 318). При этом везикулы играют роль своеобразных «челночных» переносчиков, специализированных для каждого липида или белка.

Скорость обновления различных липидов во внутриклеточных мембранах неодинакова. Медленнее всего обновляется сфингомиелин (время, за которое обновляется половина исходных молекул, Ti ¦ -~ 38 ч), несколько быстрее — фосфатидилсерин (Т|/2 — 23 ч); скорость обновления фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина примерно одинакова (около 15 ч). К наиболее быстро обновляемым липидам относятся фосфатиди л инозит н фосфатидовая кислота, обмен которых может проходить за несколько минут в условиях действия на мембрану внешних стимулов. Такие значительные различия показывают, что фосфолипидные компоненты во время синтеза возникают в мембране неодновременно и, по-видимому «новая

588 мембрана» не синтезируется целиком заново, а наращивается путем

- постепенного добавления различных липидных компоиентоа к уже

Биологические мембраны существующей основе. Внутри клетки доставка вновь синтезирован-

ных липидов к месту сборки мембраны осуществляется иногда с помощью специальных цитозольных белков-переносчиков, открытых в 1969 г.

Что же касается мембранных белков, то их биосинтез и встраивание в мембрану осуществляются в соответствии с механизмом, предложенным Г. Блобелом и Д. Сабатини (см. с. 245).

Пуэырьни Гольджи Цистерны Гольджи \

Перенос белка от м

страница 77
< 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 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(26.06.2017)