2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

могут происходить и при постоянной температуре за счет изменений значения рН, ионного состава среды, присутствия мембранотропных веществ и т. д. В условиях нативной клетки липиды в мембранах ведут себя подобно жидким кристаллам. Именно в таком «расплавлен-

ном» состоянии реализуется сочетание упорядоченности с лабильностью. Жидкокристаллическое состояние липидов в бислое обеспечивается молекулярной подвижностью его компонентов, и прежде всего подвижностью углеводородных цепей липидных молекул. Наличие большого числа С–С-связей в углеводородной цепи позволяет ей принимать разнообразные конформации за счет процесса транс-гош- изомеризации. При переходе двух соседних транс-конформаций в гош-

происходит излом цепи и в гидрофобной части бислоя образуется небольшая свободная полость – кинк (от англ. kink – петля).

Однако, вследствие близкого расположения соседних цепей, изомеризация происходит в виде сопряженных поворотов в смежных сегментах С–С-связей. В результате на углеводородной цепи жирной ки-

слоты появляется ряд кинков.

Возникающие кинки постоянно мигрируют вдоль цепи, что приводит к разрыхлению бислоя, появлению в нем подвижных дефектов упаковки липидных молекул, через которые возможно проникновение в мембрану гидрофильных веществ.

Аналогичное влияние на упаковку оказывают двойные цис-связи

ненасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов. Их присутствие приводит к образованию постоянного кинка в углеводородной цепи.

72

Подвижностью могут обладать не только отдельные участки углеводородной цепи липидной молекулы, но и вся молекула в целом. Так, она может вращаться вокруг продольной оси, совершать различные перемещения. Миграция молекул вдоль поверхности бислоя называется латеральной диффузией. В жидкокристаллическом состоянии скорость латеральной диффузии молекул липидов достаточно высока. В то же время, переход липидов с одной стороны бислоя на другую – поперечная диффузия (флип-флоп) обычно происходит крайне медленно – фосфолипидной молекуле для пересечения бислоя толщиной в 4-5 нм

может понадобиться несколько часов, тогда как в ходе латеральной диффузии она преодолевает это расстояние примерно за 2,5 мкс. Однако в ряде случаев скорость флип-флопа может значительно возрастать под

действием некоторых факторов, например таких, как присутствие в бислое молекул, облегчающих перенос через его гидрофобную область полярной головки липидной молекулы.

Рис. Виды подвижности липидов мембраны:

а – латеральная диффузия; б – вращение молекулы вокруг оси; в – поперечная диффузия

или флип-флоп.

В зависимости от состава липидов, условий окружающей среды и других факторов, распределение липидных молекул в плоскости бислоя неоднородно. Липиды способны образовывать упорядоченные области

– кластеры (домены), в которых плотность упаковки нескольких десят- ков-сотен липидных молекул может существенно отличаться от сосед-

них с ними участков. Время жизни кластеров мало и, вследствие неодновременности протекания процессов их распада и образования по всей мембране, более упорядоченные области сосуществуют с уже «расплавленными». В этих условиях для мембран характерно наличие разного рода «дефектов» бислоя, которые могут индуцировать встраивание в мембрану различных соединений, способствовать увеличению ее про-

73

ницаемости для гидрофильных молекул и ионов, оказывать влияние на взаимодействие белковых молекул друг с другом и т. д.

Таким образом, наличие бислоя липидов, его состояние имеет большое значение для функционирования мембраны.

Функции липидов:

1.Формируют барьер проницаемости для полярных молекул.

2.Обеспечивают жидкокристаллическое состояние (текучесть) мембраны, которое зависит от степени насыщенности радикалов жирных кислот в составе липидов, содержания холестерина, температуры и других факторов. Стабилизация мембран уменьшает функциональную активность клетки.

3.Являются «растворителем» для интегральных белков мембраны и играют важную роль в поддержании их нативной конформации, а, следовательно, и функциональной активности, через изменение состава липидного окружения и его микровязкости (текучести).

Белки мембран

Белки – обязательный компонент мембранных структур. Именно с наличием белковых молекул связано большинство функций, выполняемых мембранами. По степени влияния на структуру бислоя и силе взаимодействия с ним белки делятся на интегральные и периферические.

Интегральные белки – это обычно глобулярные амфифильные структуры, погруженные внутрь липидного бислоя. Среди них выделяют прошивающие белки, которые пронизывают бислой насквозь. Интегральные белки достаточно прочно связаны с липидами за счет гидрофобного взаимодействия, поэтому для их выделения необходимо сначала разрушить двойной слой липидов с помощью детергентов (поверхно- стно-активных веществ) – соединений, солюбилизирующих нераство-

римые в воде вещества.

Рис. Варианты расположения белков в мембране:

а, б, в Ã интегральные белки (а, б Ã прошивающие); г, д Ã периферические белки

74

Глубина внедрения интегральных белков в бислой липидов зависит от соотношения гидрофобных и гидрофильных областей в молекуле белка. Гидрофильные участки располагаются на поверхности мембраны (на уровне полярных головок молекул липидов), а гидрофобные – в толще бислоя. В результате взаимодействия белка с липидами может происходить изменение градиента кривизны и деформация бислоя.

Внедрение белка в липидный матрикс упорядочивает последний, делая его структуру более жесткой за счет «прилипания» и ориентации молекул липидов, примыкающих к поверхности белка, где их подвижность затрудняется. То есть, не только липиды влияют на конформацию мембранного белка, но и сам белок модифицирует липидный бислой.

Белки в составе мембраны, также как и липиды, обладают способностью к миграции. Подвижность белка определяется не только его свойствами, но и состоянием липидного окружения. Чем больше микровязкость липидов (ниже текучесть), тем меньше у молекулы белка возможностей для движения.

Периферические белки отличаются от интегральных значительно меньшей глубиной проникновения в бислой. Они, как правило, связаны с мембраной за счет полярных и ионных взаимодействий и не контактируют с гидрофобной частью бислоя липидов. Периферические белки относительно легко экстрагируются из мембраны в мягких условиях, например при промывании буферными растворами с различным значением рН.

На внешней поверхности плазматической мембраны белки часто связаны с углеводами, то есть являются гликопротеинами.

Функции мембранных белков:

1.Регулируют структурное состояние мембраны.

2.Осуществляют трансмембранный перенос веществ.

3.Обеспечивают соединение мембраны с компонентами цитоскелета (белки анкирин, спектрин в эритроцитах).

4.Являются ферментами. Некоторые ферменты локализованы в определенных мембранах и могут служить маркерами этих мембран.

75

Ферменты Ã маркеры мембран

5.Участвуют в межклеточном взаимодействии.

6.Обеспечивают рецепцию внешних сигналов.

7.Выступают в роли антигенов (белок гликофорин в эритроцитах является носителем антигенов групп крови).

Углеводы мембран

Углеводы в составе мембран обнаруживаются только в соединении с белками (гликопротеины) или липидами (гликолипиды). В биологических мембранах может быть гликозилировано до 10 % белков и до 25 % липидов.

Углеводные компоненты преимущественно находятся на внешней стороне плазматической мембраны, встречаются также внутри полости эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи.

По строению углеводные цепи колеблются от простых моносахаридов до сложных, разветвленных олигосахаридов. В их составе наиболее часто встречаются следующие соединения: галактоза, глюкоза, аминосахара, нейраминовая кислота и ее производные.

Функции углеводов в составе гликопротеинов и гликолипидов мембран:

1.Участвуют в процессах межклеточного взаимодействия.

2.Определяют антигенную специфичность.

3.Обусловливают различия групп крови.

4.Являются рецепторами для связывания различных соединений (гормонов, токсинов и т. д.).

5.Стабилизируют положение белковых и липидных молекул в мембране.

Модели строения мембран

Первые представления о молекулярной организации биологических мембран были высказаны еще в двадцатые годы прошлого столетия. В 1925 году голландские исследователи Э.Гортер и Ф. Грендель высказали гипотезу, что клеточная мембрана представляет собой двойной липидный слой, в котором гидрофильные группы липидных моле-

76

кул локализованы на поверхности бислоя, а углеводородные цепи жирных кислот образуют его гидрофобную внутреннюю область.

Мысль о том, что в состав мембран входят белки впервые высказали в 1935 году Д.Даниелли и Х.Давсон. В соответствии с их гипотезой об общем принципе структурной организации клеточной мембраны, последняя представляется как трехслойная структура, где двойной слой липидов заключен между двумя слоями белка.

В течение следующих десятилетий представления о структурно-

молекулярной организации мембран сильно менялись. Хотя не возникало никаких сомнений в том, что основными компонентами являются липиды и белки, вопрос об их взаимном расположении стал предметом многочисленных дискуссий.

Современный взгляд на молекулярную организацию биологических мембран начал формироваться в 70-х годах ХХ века. К этому мо-

менту накопилось достаточно много новых экспериментальных фактов, на основании которых американские ученые С.Синджер и Г.Николсон предложили в 1972 году жидко-мозаичную модель строения мембраны.

Рис. Жидко-мозаичная модель СинджераНиколсона

В соответствии с этой моделью, структурной основой биологических мембран является липидный бислой, в котором молекулы липидов находятся в жидкокристаллическом состоянии. Неполярные углеводородные цепи жирнокислотных остатков направлены внутрь бислоя, а полярные головки молекул липидов находятся на его поверхности, контактируя с водой. В липидный бислой, имеющий вязкость растительного масла, погружены молекулы белков. В гидрофобной толще бислоя находится та часть белковой молекулы, которая содержит преимущественно неполярные аминокислоты, а участки, где преобладают полярные аминокислоты располагаются на поверхности липидного бислоя. В противоположность прежним моделям, которые рассматривали мембраны как системы, состоящие из жестко фиксированных элементов, жидко-

мозаичная модель представляет мембрану как липидное «море», в котором «плавают айсберги» белков.

77

Таким образом, одним из основных постулатов этой модели является предположение о свободном движении молекул липидов и белков в фазе липидного бислоя. Однако позднее оказалось, что не все белки и липиды способны к свободному перемещению, в некоторых случаях их подвижность сильно ограничена.

Факторы, ограничивающие подвижность липидов и белков в мембране:

1.Образование липидных доменов с более упорядоченной, плотной упаковкой молекул липидов.

2.Способность мембранных белков к агрегации, образованию мультиферментных комплексов.

3.Гликопротеины и гликолипиды образуют на наружной поверхности мембраны ажурную сетку – гликокаликс.

4.Белки со стороны внутренней поверхности мембраны связаны с белковыми нитями цитоскелета.

5.Прошивающие белки образуют сквозную решетку в мембране.

Это привело к модификации жидко-мозаичной модели. Итак, био-

логическая мембрана – это липидный бислой, начиненный молекулами белка и заключенный в ажурный каркас – решетку.

Рис. Схематическое изображение плазматической мембраны клетки

Решеточно-мозаичная модель отражает одно из главных свойств мембраны – гетерогенность ее механических свойств. Молекулы белка, которые связаны с каркасом, малоподвижны, те же белки, которые с каркасом не связаны, могут относительно свободно перемещаться в плоскости мембраны.

Следует помнить, что современные модели строения мембраны – это лишь упрощенное и схематичное отражение столь сложной и разносторонней системы, какой является биологическая мембрана.

78

Свойства мембран

Общий принцип построения биологических мембран вовсе не означает их однородность. Мембранные системы не только у клеток разного типа, но и в пределах одной и той же клетки отличаются друг от друга как по содержанию и составу основных компонентов, так и по выполняемым функциям. Однако, для всех мембран характерны следующие общие свойства:

1.Мембраны – это ультратонкие пленочные структуры, образующие сплошную перегородку. Протяженность мембран значительно превосходит их толщину.

2.Мембраны состоят в основном из липидов и белков. Углеводы, входящие в состав мембран, связаны с белками или липидами.

3.Мембраны – это надмолекулярные структуры. Входящие в их состав молекулы липидов и белков удерживаются вместе множеством взаимодействий, кооперативных по своему характеру.

4.Мембраны имеют амфифильную природу, так как входящие в их состав липиды и белки содержат как гидрофильные, так и гидрофобные участки. Обе поверхности мембраны гидрофильны, в то время как ее внутренняя область – гидрофобна.

5.Липиды в мембранах находятся в жидкокристаллическом состоянии.

6.Мембраны характеризуются не жесткой, статичной структурой,

адинамичной, подвижной. Подвижность компонентов мембраны определяется двумя видами движения: внутримолекулярным (например, вращение вокруг каждой С–С-связи в цепи остатка

жирной кислоты) и межмолекулярным (латеральная диффузия и «флип-флоп»).

7.Мембраны асимметричны функционально и структурно. Функциональная асимметрия проявляется в разделении мембранами внутриклеточного пространства на компартменты. Структурная

– в расположении ее основных компонентов:

углеводы – преимущественно на внешней поверхности мембраны;

липиды – фосфатидилхолин и сфингомиелин преобладают в наружном молекулярном слое, а фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин преимущественно во внутреннем монослое. Содержание холестерина больше в наружном слое мембраны, чем во внутреннем;

белки – пространственная ориентация белковой молекулы в липидном бислое, как правило, является однозначной и различные белки занимают строго определенное положение в мембранах. Например, периферические белки, связанные с компонентами

79

цитоскелета локализованы на внутренней стороне плазматической мембраны; переносчики дыхательной цепи расположены зигзагообразно во внутренней мембране митохондрий (цитохром а3 – со стороны матрикса, цитохром с – со стороны межмембранного пространства).

Асимметрия мембраны создается под влиянием различных факторов, например за счет действия ферментов липидного обмена и липидпереносящих белков, участвующих в метаболизме мембранных липидов; различий ионного состава среды по обе стороны бислоя в условиях нативной клетки; особенностей строения молекул фосфолипидов; асимметричной локализации белков в липидах мембраны и т. д. Асимметрия бислоя является важным фактором, обеспечивающим создание градиента кривизны поверхности мембраны, образование складок, везикул.

Биогенез мембран

Динамичность мембранных структур проявляется не только в способности к движению их отдельных компонентов (латеральная и поперечная диффузия молекул липидов и белков), но и в поддержании динамичного равновесия в процессе онтогенеза. Формирование мембраны идет непрерывно, путем введения в ее новых составных частей, обновления компонентов, прежде всего липидов и белков. Биосинтез мембран, как правило, начинается в эндоплазматическом ретикулуме, где образуется бόльшая часть фосфолипидов, холестерина, белков. Затем образовавшиеся мембранные компоненты перемещаются к месту назначения, например в плазматическую мембрану. В этом случае они последовательно проходят через аппарат Гольджи и цитоплазму, модифицируясь в соответствии со своим функциональным назначением (гликозилирование, процессинг и т. п.).

В течение всего времени существования живой клетки все молекулы, входящие в состав мембран многократно обновляются. Время жизни и скорость обновления различных компонентов мембран неодинакова и зависит от интенсивности функционирования клетки. В среднем, из липидов медленнее всего обновляется сфингомиелин – полупериод жизни t0,5 (время, в течении которого заменяется половина исход-

ного содержания молекул) для него составляет около 38 часов. Несколько быстрее обновляется фосфатидилсерин – для него t0,5 равно примерно 23 часа. Для фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина t0,5

составляет 15 часов. К наиболее быстро обновляемым липидам относится фосфатидилинозит – его обмен может проходить в течение нескольких минут. Это объясняется тем, что фосфатидилинозит принимает участие в трансмембранной передаче сигнала.

80

Скорость обновления белков мембраны также различна. Например, для некоторых мембранных белков клеток печени t0,5 составляет: белки ядерной мембраны, микросом и плазматической мембраны – 2-3 дня; белки внешней митохондриальной мембраны – 5-6 дней; белки внутренней мембраны митохондрий обновляются за 8-10 дней (так как

часть белков синтезируется в митохондриях, а часть транспортируется из цитозоля).

Несмотря на постоянное обновление всех мембранных компонентов, структурная организация биомембран в течение всей жизни клетки сохраняется неизменной.

Транспорт через мембраны

Избирательный транспорт различных веществ и ионов – одна из главных функций биологических мембран. Он обеспечивает активный обмен клетки и ее органелл с окружающей средой; служит основой всех биоэнергетических механизмов; определяет эффективность процессов рецепции, передачи нервного возбуждения и т. д. Для подавляющего большинства веществ и ионов мембраны представляют барьер и в таком случае их перенос через липидную фазу требует значительных энергетических затрат. В то же время вода и некоторые низкомолекулярные соединения легко проникают через мембрану.

Транспортные процессы в мембране принято характеризовать в первую очередь по признаку энергозависимости. Поэтому выделяют пассивный транспорт – то есть перенос вещества по градиенту концентрации, не связанный с затратой энергии, и активный транспорт – против градиента концентрации (для нейтральных частиц) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии. Отдельно рассматривают процесс цитоза или везикулярный транспорт Ã механизм переноса, связанный с изменением структурной целостности мембраны.

Самый простой механизм переноса – обыкновенная или простая диффузия – движение через мембрану веществ по градиенту концентрации без затрат энергии и не требующее участия переносчиков. Особенно легко так проходят небольшие гидрофобные соединения, которые относительно беспрепятственно внедряются в липидный бислой. Скорость простой диффузии через мембрану для нейтральных частиц определяется двумя основными факторами. Во-

первых, разницей концентраций переносимого вещества по обе стороны мембраны и, во-вторых, его способностью растворяться в

липидах.

81