«БИОМЕМБРАНОЛОГИЯ Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области биологии, медицины и психологии Петрозаводск 2006 УДК 571.1 Болдырев А.А., Кяйвяряйнен Е.И., Илюха В.А. ...»

Болдырев А.А., Кяйвяряйнен Е.И., Илюха В.А.

БИОМЕМБРАНОЛОГИЯ

Учебное пособие

для студентов высших учебных заведений,

специализирующихся в области биологии, медицины и психологии

Петрозаводск

2006

УДК 571.1

Болдырев А.А., Кяйвяряйнен Е.И., Илюха В.А. Биомембранология:

Учебное пособие.– Петрозаводск: Изд-во Кар НЦ РАН, 2006.– 226 с., 78 рис., 12 табл.

Учебное пособие «Биомембранология» описывает основные закономерности строения и функционирования клеточных мембран. Книга написана на основании анализа современных достижений клеточной биологии, нейрохимии и иммунологии, во многом отражает экспериментальный опыт самих авторов, много лет работающих в этой области естествознания. Книга подводит итог чтения курса по этой специальности в МГУ им. М.В. Ломоносова, Петрозаводском и Тюменском государственных университетах, а также в Университете штата Нью-Йорк (США). Рекомендуется для студентов и аспирантов естественно-научных вузов и институтов, специализирующихся в области биохимии, органической химии, биотехнологии, физиологии и психологии, а также для специалистов, изучающих широкий круг биологических явлений.

Рецензенты Член.-корр. РАМН, доктор мед. наук, профессор З.А. СУСЛИНА Доктор биол. наук, профессор Н.Н. НЕМОВА Научный редактор – профессор С.А. ЧЕПУРНОВ Издание осуществлено при финансовой поддержке Программы Президиума РАН «Поддержка молодых ученых» (ЭБ НОЦ ИБ КарНЦ РАН) и грантов Президента РФ «Ведущие научные школы»

НШ.894.2003.4 и НШ.1760.2003. ISBN 5-9274-206- © А.А. Болдырев, Е.И. Кяйвяряйнен, В.А. Илюха, © Институт биологии КарНЦ РАН,

К ЧИТАТЕЛЮ

Когда Эрла Сазерлэнда, первого Нобелевского лауреата в области механизмов клеточной сигнализации, спросили, что больше всего помешало его открытию механизмов передачи сигнала через клеточную мембрану, он ответил:

– Незнание того, как она устроена.

Сегодня для клеточного биолога (нейрохимика, физиолога, биотехнолога, психолога) – незнание законов, по которым функционирует клетка, незнание того, как устроена клеточная мембрана, нонсенс, несовместимый с выбором перспектив современных исследований в области биологии клетки.

Вот почему мы надеемся, что при всей ограниченности объема этой книги, недостаточной глубине, несовершенстве изложения материала, эта книга найдет своего читателя, как нашел своего слушателя курс «Биомембранология», читаемый в ведущих вузах нашей страны, что, кстати, отличает нашу отечественную систему естественно-научного образования от стран Болонской системы, где этот курс подменяется отрывочными сведениями, излагаемыми «по ходу дела» в лекциях по биохимии, физиологии, биотехнологии или биологии клетки.

Старый спор между преподавателями, что важнее для студента – систематичность и глубина знаний или открытие широких перспектив в их накоплении, мы отважно и безоговорочно решаем в пользу второго фактора: чтобы пытаться найти свое место в науке, надо видеть горизонты ее развития. А когда Вы найдете это место – углубление научных знаний будет Вашей собственной профессией. Мы от души надеемся, что какое бы направление науки Вы не избрали, биомембранология будет одной из основ Вашего естественнонаучного мировоззрения.

Авторы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Основные сокращения, принятые в тексте, соответствуют рекомендациям комиссии по биохимической номенклатуре IUPAC.

Другие используемые сокращения приведены ниже:

АФК – активные формы кислорода АЦ – аденилатциклаза ДАГ – диацилглицерол ДЦКД – дициклогексилкарбодиимида ДЭС – диэтилстильбестрол ИФ3 – инозитол-1,4,5-трисфосфат ККМ – критическая концентрация мицеллообразования ЛНП – липопротеины низкой плотности ЛОНП – липопротеины очень низкой плотности ЛПП – липопротеины промежуточной плотности МДА – малоновый диальдегид мХР – мускариновый холинергический рецептор ПК – протеинкиназа ПОЛ – перекисное окисление липидов СМ – сфингомиелин СОД – супероксиддисмутаза СР – саркоплазматический ретикулум ТК – тирозинкиназа ФДЭ – фосфодиэстераза ФИФ2 – фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат ФРК – фактор роста клеток ФРЭ – фактор роста эпидермиса ФХ – фосфатидилхолин ФЭ – фосфатидилэтаноламин ФС – фосфатидилсерин ЭПР – электронный парамагнитный резонанс ЭР – эндоплазматического ретикулум ЯМР – ядерный магнитный резонанс GPCR – рецепторы, связанные с G-белками NANA – N-ацетилнейраминовая кислота РРаза – пирофосфатаза Мембраны играют ключевую роль в структурной организации всех клеток – прокариотических и эукариотических, растительных и животных.

По мере развития биологии определяющая роль мембран в жизни клетки становится все более очевидной. В силу особенностей своего строения мембраны во многом определяют особенности функционирования клеток.

1. ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРОЕНИИ

МЕМБРАН

Наличие мембран вокруг живых клеток было установлено более ста лет назад в работах К. Негели, который в 1855 году обнаружил, что неповрежденные клетки могут изменять свой объем при изменении осмотического давления окружающей среды. Эти исследования были продолжены Е. Овертоном, показавшим, что неполярные молекулы легче проходят через клеточную мембрану, чем полярные соединения. На основе этих наблюдений он впервые высказал предположение, что клеточная мембрана имеет липидную природу. Развитие идей о структуре мембран существенно продвинулось благодаря работам Е.Гортера и Ф.Грендела, проведенным в 1925 г. Эти авторы впервые выдвинули концепцию липидного бислоя. Эта идея возникла на основе простого эксперимента. Липиды эритроцитов экстрагировали ацетоном и затем получали из них тонкую пленку на поверхности воды. С помощью поплавка сжимали слой липидных молекул на границе раздела вода/воздух до тех пор, пока этот слой не начинал оказывать сопротивление дальнейшему сжатию; это явление было объяснено образованием плотно упакованной мономолекулярной липидной пленки. Измерение площади, занимаемой липидами, и сравнение ее с площадью поверхности эритроцитов, из которых эти липиды были экстрагированы, дали соотношение 2:1. Отсюда был сделан вывод, что мембрана эритроцитов состоит из липидных молекул, расположенных в два слоя. По-видимому, этот вывод Е. Гортера и Ф. Грендела оказался правильным только благодаря взаимной компенсации ошибок (во-первых, экстракция ацетоном извлекает десятью годами позже Дж. Даниелли в связи с необходимостью объяснить явное расхождение между поверхностным Рис. 1. Модель строения биологических мембран Даниели- натяжением на границах раздела масло/вода и мембраДевсона двойного липидного слоя, и предположено, что белок располагается на ее поверхности – модель Даниели – Дэвсона, или модель «сэндвича» (рис. 1 А, Б). Это была очень удачная модель, и в течение последующих 30 лет многочисленные экспериментальные данные, особенно полученные с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии, полностью подтвердили ее адекватность. Основными компонентами биологической мембраны являются липид и белок, вопрос о взаимном расположении этих компонентов в мембране стал предметом многочисленных дискуссий, так как обнаружилось, что мембраны выполняют разнообразные функции.

Рис. 2. Жидкостно-мозаичная модель строения биологических Быстрый прогресс в мембранологии, в результате которого сформировались современные представления, был достигнут в значительной мере благодаря успехам в изучении свойств мембранных белков. Электронно-микроскопические исследования с применением метода замораживания-скалывания показали, что в мембраны встроены глобулярные частицы. Тем временем биохимикам с помощью детергентов удалось «раздробить» мембраны до состояния функционально активных «частиц». Данные спектральных исследований указывали, что для мембранных белков характерно высокое содержание -спиралей и что они, вероятно, образуют глобулы, а не распределены в виде монослоя на поверхности липидного бислоя. Неполярные свойства мембранных белков наводили на мысль о наличии гидрофобных контактов между белками и внутренней неполярной областью липидного бислоя. С. Сингер и Дж. Никольсон свели воедино все эти идеи, создав жидкостно-мозаичную модель. В рамках этой модели мембрана представляется как фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки (рис. 2).

Прежняя модель Даниели – Дэвсона была статичной и успешно объясняла имевшиеся в то время структурные данные, полученные с довольно низким разрешением. Начиная с 70-х гг. ХХ в. большое внимание стало уделяться изучению динамических свойств мембран и их взаимосвязи с мембранными функциями. В последние годы жидкостно-мозаичная модель (рис.2) также подверглась модификации, и этот процесс будет продолжаться в соответствии совершенствованием наших знаний. Выявляются новые функции цитоскелета. Становится ясно, что не все мембранные белки свободно диффундируют в жидком липидном бислое. Имеются данные о существовании в мембране липидных доменов. Обнаружены динамические ассоциаты липидов, обладающие более плотной упаковкой (рафты). Выявлен специфический класс амфифильных белков, которые под влиянием внеклеточных сигналов меняют свою гидрофобность и обратимо диссоциируют от мембраны. Таким образом, клеточная мембрана все более отличается по своим свойствам от «классического» липидного бислоя. Тем не менее, жидкостномозаичная модель в ее разных модификациях все еще служит в качестве концептуальной основы для объяснения многих мембранных феноменов. Сложность создания единой модели биологических мембран связана с огромным разнообразием мембранных функций.

2. КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАННЫЕ СТРУКТУРЫ

Успехи в исследовании мембран во многом достигнуты благодаря сравнительному изучению мембран из множества разнообразных организмов. Данные, полученные при изучении клеток млекопитающих методом электронной микроскопии, свидетельствуют о наличии развитой сети внутриклеточных мембранных образований (рис. 3). Не вызывает сомнений, что основные принципы структурной организации всех мембран животной клетки по сути одинаковы. Более того, эти принципы распространяются и на мембраны растительных и бактериальных клеток.

Любая клетка имеет наружную мембрану – ее называют плазматической. Она играет роль преграды, отделяющей живое содержимое от ее неживого окружения. Но плазматическая мембрана – не просто оболочка. Она регулирует поступление молекул и ионов в клетку и выход их наружу. Кроме того, в ней находятся различные ферменты, природа которых зависит от особенностей данной клетки. Она содержит специализированные компоненты, участвующие в межклеточных контактах и взаимодействиях, в гормональном ответе и системах транспорта через мембрану как малых, так и больших молекул.

Плазматическая мембрана чрезвычайно эластична, благодаря чему животные клетки могут довольно сильно изменять форму без разрыва мембран.

Большинство растительных клеток в отличие от животных не способны изменять свою форму, так как их мембраны окружены толстой, прочной и мало упругой оболочкой. Ее называют клеточной стенкой. Стенки имеются также у бактерий. Бактериальные клетки имеют довольно простую наружную оболочку, содержащую один или два слоя.

Внутри клетки мембраны могут образовывать субклеточные частицы (органеллы) различного назначения. Заметим, что внешний вид органелл неодинаков в клетках разного типа.

Рис. 3. Схематическое изображение органелл эукариотических клеток животных и растений на основании данных электронной К ним относятся, например, митохондрии - своеобразные энергетические станции клетки, специализированные на образовании АТФ. В этих органеллах осуществляются окислительные превращения субстратов, завершающиеся образованием ATФ. В одной клетке может содержаться от нескольких десятков до нескольких тысяч митохондрий. Они сильно отличаются по размерам и очертанию. Чаще всего митохондрии имеют вид нитей или гранул (погречески митос-нить, а хондрион – гранула). Иногда они набухают, приобретая форму дубинки. Независимо от размера и формы каждая митохондрия содержит две мембраны – наружную и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует складки в виде перегородок, называемых кристами, и содержит ферменты, участвующие в транспорте электронов и синтезе АТФ. Пространство, ограниченное этой мембраной, носит название матрикса, в нем протекают многие метаболические процессы. Межмембранное пространство также содержит специфические компоненты, отличающие его по составу от цитоплазмы.

Другие субклеточные органеллы – лизосомы – представляют собой окруженные мембранами органеллы, содержащие набор протеолитических и других деградационных ферментов, которые расщепляют белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие соединения. Вещества, захваченные клеткой путем эндо- или фагоцитоза, которые необходимо расщепить, доставляются в лизосомы с помощью везикул - фагосом. В лизосомах происходит также расщепление компонентов клетки, осуществляющееся в ходе клеточного цикла. Содержащиеся в лизосомах ферменты способны разрушать не только чужие вещества, но и саму клетку. Если происходит гибель клетки, мембраны лизосом разрываются и запускаются процессы автолиза. В обычных условиях лизосомальная мембрана надежно защищает клетку от воздействия собственных смертоносных ферментов.

Фагосомы – это короткоживущие внутриклеточные везикулы, образованные в результате фагоцитоза – процесса поглощения, захвата крупных частиц, комплексов, вплоть до целых клеток, например, клеток бактерий. Этот процесс характерен только для клеток некоторых типов (амебы, макрофаги). После транспорта фагосомы внутрь клетки она сливается с лизосомой, содержащей ферменты деградации.

Пероксисомы – это органеллы, которые содержат окислительные ферменты, участвующие в деградации малых молекул, таких как аминокислоты, ксантин, жирные кислоты. Их название связано с присутствием в них каталазы, которая разлагает перекиси, образующиеся в качестве продуктов окисления.

Иной вид внутриклеточных мембран образует так называемую эндоплазматическую сеть – глубокие складки, непосредственно примыкающие к плазматической мембране. Это сложная сеть цистерн и трубочек, которая занимает значительную часть внутреннего объема клетки. На мембранах шероховатого эндоплазматического ретикулума (ЭР) расположены рибосомы. Он служит местом биосинтеза белков, которые затем транспортируются к месту их функционирования. У бактерий, которые не имеют эндоплазматической сети, синтез белка, по-видимому, осуществляется на особых выступах плазматической мембраны. Области ЭР, не содержащие рибосом, называют гладким ЭР. Здесь осуществляется биосинтез стеролов, происходит десатурация (образование двойных связей) жирных кислот. Мембраны эндоплазматической сети выполняют и другую важную функцию – они обезвреживают вещества, присутствие которых нарушает нормальную работу клетки. Этот процесс называется детоксикацией. Эти процессы входят в согласованную систему транспорта электронов, осуществляющегося при участии цитохромов б5 и Р450. Эндоплазматическая сеть клетки не однородна, а состоит из мембран, различающихся по составу и выполняемым функциям, но объединяемых в единую систему взаимодействующих друг с другом процессов.

К мембранам эндоплазматической сети примыкает так называемый аппарат Гольджи, также состоящий из ограниченных мембранами пузырьков и цистерн, собранных в стопки. Аппарат Гольджи выполняет в клетке узко специализированные, но весьма существенные задачи. Было замечено, что белки, синтезированные рибосомами, через несколько минут начинают перемещаться к аппарату Гольджи. С помощью электронного микроскопа удалось установить, что белки в аппарате Гольджи плотно упакованы в гранулы: такая упаковка белков происходит перед их секрецией. В аппарате Гольджи происходит также созревание сложных белков – например, посттрансляционная модификация гликопротеинов, синтезированных в ЭР и предназначенных для секреции, включения в плазматическую мембрану или доставки в лизосомы. Аппарат Гольджи содержит гликозидазы и гликозилтрансферазы, которые вступают в действие последовательно, по мере того как белок, подвергаемый процессингу, перемещается (вероятно, с помощью мембранных везикул) от начала аппарата Гольджи (цис-область) до его конца (транс-область). Таким образом, простые белки превращаются в сложные – гликопротеины. Прикрепление к белкам углеводных радикалов, по-видимому, облегчает их прохождение через клеточные мембраны. В некоторых клетках аппарат Гольджи формирует также лизосомы и другие субклеточные частицы. Таким образом, деятельность аппарата Гольджи связана как с построением клеточных элементов, так и с их разрушением. Соблюдение баланса между этими противоположно направленными процессами исключительно важно для жизнедеятельности клетки.

Оболочка, окружающая клеточное ядро, состоит из двух мембран, наружной и внутренней, разделенных промежутком, называемым перинуклеарным пространством. Эта мембрана происходит из эндоплазматического ретикулума и неразрывно связана с ним. Ядерная мембрана защищает святое святых клетки – хранилище ее генетической информации – от вредных внешних воздействий. Наиболее характерными морфологическим признаками ядерной мембраны являются порообразные структуры. Они имеют диаметр около 600. В том месте, где расположены эти структуры, внутренняя и наружная ядерные мембраны соединяются. По краям пор наружная и внутренняя мембрана ядра сливаются в одну общую мембрану. Полагают, что поры позволяют комплексам мРНК-белок переходить из ядра в цитоплазму, а регуляторным белкам перемещаться в обратном направлении, из цитоплазмы в ядро. Таким образом, ядерная мембрана контролирует перенос информации между ядром и остальной частью клетки. Есть также сведения, что мембрана обеспечивает энергией процессы, протекающие внутри ядра.

Хлоропласты – это органеллы, содержащие фотосинтетический аппарат. Они характерны для растений и некоторых микроорганизмов. Наружная оболочка хлоропластов образуется двумя мембранами, а внутренняя область составляет строму. В строме находятся тилакоидные мембраны, где локализованы компоненты системы фотосинтеза. На отдельных участках тилакоидные мембраны плотно упакованы в стопки, а на других – обращены непосредственно к строме. Состав плотно упакованных и обращенных в строму доменов тилакоидной мембраны различен, что указывает на различие их функций.

Все клеточные мембраны представляют удивительные биологические конструкции. Они отличаются исключительной тонкостью, при этом обладают высокой прочностью на разрыв, устойчивостью и гибкостью, а по электроизоляционным свойствам превосходят многие изоляционные материалы, применяемые в технике. Общая площадь мембран в органах и тканях организма достигает огромных размеров. Печень крысы весит всего 6 г, суммарная же площадь ее клеточных мембран составляет несколько сотен квадратных метров. В эндоплазматической сети печени на каждый миллиграмм белка приходится 0,5 м2 мембран.

3. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ МЕМБРАН

Несмотря на многообразие различных типов клеток, их мембраны выполняют общие биологические функции. Прежде всего они отграничивают живое от неживого. Более того, они организуют внутри клетки компартменты с различными свойствами. С их помощью происходит отделение содержимого компартментов от окружающей их среды. В каждом компартменте мембраны обеспечивают сохранение специфических физико-химических условий. Поэтому по обе стороны мембраны такие условия среды как кислотность, концентрация растворенных веществ, электрический потенциал, как правило, не одинаковы.

Однако мембраны не только разделяют клетку на отдельные компартменты, но и участвуют в регуляции метаболических сигналов, которые передаются между наружной и внутренней сторонами этих компартментов. Это может проявляться в виде физического переноса ионов или молекул через мембрану или при помощи конформационных изменений, индуцируемых в мембранных компонентах. Таким образом, мембраны контролируют проникновение в клетку и выход из нее метаболитов. С помощью мембранных рецепторов они реагируют на внешние сигналы и трансформируют их, то есть способны классифицировать и избирательно модулировать их (усиливать важные и снижать до уровня шумов второстепенные), передавая внутрь клетки существенную информацию.

Мембраны способны обеспечивать образование и поддержание разности потенциалов, а также транспортировать мембранный потенциал вдоль по мембранным индукторам, позволяя использовать этот специфический вид энергии в разных частях клетки.

Кроме того, с мембранами связано функционирование многих клеточных ферментов. Мембраны оказывают большое влияние на процессы, протекающие внутри клетки, изменяя их активность.

Некоторые ферменты активны только тогда, когда они прикреплены к мембране; другие, наоборот, в этом состоянии не проявляют активности и начинают действовать лишь после отщепления их и выхода в цитоплазму. Поэтому важным свойством мембран является способность создавать специальную среду для защиты гидрофобных белков от водной атаки и обеспечения их функций, то есть в мембране создаются специальные условия для протекания реакций, осуществляемых гидрофобными белками. Одновременно мембранные липиды осуществляют контроль за взаимодействием между отдельными белками, погруженными в мембранную толщу.

Некоторые ферменты образуют своеобразные мембранные ансамбли, которые осуществляют цепь последовательных превращений именно благодаря тому, что их компоненты объединены общностью локализации, организованы мембраной. Благодаря этому обстоятельству повышается эффективность суммарного процесса.

Имеются ферменты, которые, действуя на мембраносвязанные субстраты, участвуют тем самым в биосинтезе мембран.

С участием мембран в той или иной степени осуществляется большинство жизненно важных функций, например, протекают такие разные процессы, как репликация прокариотической ДНК, биосинтез белков и их секреция, биоэнергетические превращения, а также функционирование систем гормонального ответа. Важная сторона ферментативной деятельности мембран связана с координацией множества химических реакций, протекающих в клетке.

Для этого мембраны объединяют различные ферменты в единый конвейер, в котором каждый фермент действует в строгом соответствии с остальными.

Мембраны участвуют во взаимодействии клеток со средой. Это свойство лежит в основе обеспечения специфики межклеточных контактов и иммунологических ответов. Клетки узнают себе подобных, вступают с ними в контакт, передают разнообразную информацию. Если измельчить эмбрионы амфибии до состояния свободных клеток и перемешать их, можно наблюдать, что через некоторое время клетки самопроизвольно начинают «сортироваться»: родственные клетки объединяются в пласты, дающие начало тканям, и, в конце концов, вновь образуются структуры, напоминающие эмбрион. Эта поразительная способность клеток, несомненно, зависит от свойств наружных клеточных мембран, их способности узнавать себе подобных. Благодаря этому свойству клетки способны создавать ткани, органы и сами организмы.

Большинство мембран, кроме этих общих функций, выполняют и специальные функции. Например, мембраны митохондрий и хлоропластов зеленых растений осуществляют трансформацию энергии. Мембраны, расположенные в стенках кишечника, выполняют функции, связанные с процессами пристеночного пищеварения. Мембраны нервных клеток генерируют электрические импульсы. Некоторые клетки, например, палочки сетчатки глаза, имеют высокоспециализированные мембраны, позволяющие выполнять уникальные функции. Мембраны мышечных клеток участвуют в инициации и регуляции сокращения. Клетки органов чувств содержат специализированные мембраны, преобразующие энергию света и звука в электрические импульсы и передающие центральной нервной системе информацию о запахах, изменениях температуры и давления.

4. СОСТАВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

В состав биологических мембран входят представители трех классов веществ, обмен которых составляет основу метаболизма:

это белки, жиры (липиды) и углеводы. В весовом отношении белки составляют 40–60%, согласно некоторым данным от 20% до 80%, остальное приходится на долю липидов. Часть углеводов представлена свободными олигосахаридами, а часть входит в состав сложных липидов (гликолипиды) или сложных белков (гликопротеиды). Белковый состав мембран чрезвычайно разнообразен, он в значительной мере определяет свойства мембран и их функциональную активность. Мембранные белки, как правило, почти не отличаются от растворимых по количеству входящих в них гидрофобных аминокислот. Однако эти гидрофобные аминокислоты сгруппированы в мембранных белках в ряд доменов так, что гидрофильных групп пептидной цепи недостает для их маскировки.

Такие белки не активны вне гидрофобного окружения. Мембраны предоставляют им возможность стабилизировать свою структуру и нормально функционировать.

4.1.1. ФОСФОЛИПИДЫ, ГЛИКОЛИПИДЫ, СТЕРОИДЫ Липиды клеточных структур эукариотических клеток представлены 3 основными группами: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. Распространение и свойства фосфолипидов изучены наиболее детально.

Фосфолипиды подразделяются на 2 группы: глицерофосфолипиды (производные фосфатидной кислоты – фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит) и сфингофосфолипиды (производные церамида, сфингомиелины).

Глицерофосфолипиды представляют собой производные фосфатидной кислоты, к гидроксилу фосфорной кислоты которой сложноэфирной связью присоединен радикал Х (рис. 4., табл. 1), где R1 и R2 – ацильные остатки жирных кислот, содержащих от до 18 атомов углерода (как правило, четное количество).

В названия фосфолипидов, потерявших одну из двух ацильных цепей, вводится приставка «лизо». Лизофосфолипиды обнаруживаются в мембранах в небольших количествах – появление этих веществ приво- Рис. 4. Схематическое строение дит к нарушению структуры молекул фосфолипидов бислоя и лизису клеток.

Таблица 1. Классификация фосфолипидов осуществляется Радикал 1,2-диацилфосфатидной Характеристика липидного состава некоторых мембран животных представлена ниже (табл. 2).

Видно, что основными липидами мембран животных клеток являются глицерофосфолипиды: фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин. Структура фосфатидилхолина представлена на рис 5.

Наиболее часто встречающиеся фосфолипиды построены по единому плану, их молекулы стерически хорошо соответствуют друг другу. В то же время, огромное разнообразие фосфолипидов обеспечивается различием жирных кислот, которые входят в состав их молекул. Так, есть несколько десятков природных видов фосфатидилхолина, причем диолеилфосфатидилхолин сильно отличается по своим свойствам от дипальмитоилфосфатидилхолина.

Таблица 2. Липидный состав некоторых биологических мембран Существует несколько групп фосфолипидов, отличающихся от приведенных в таблице 1 по своему строению: 1) плазмалогены, 2) диольные фосфолипиды и 3) дифосфатидилглицериды.

В молекуле плазмалогена первый углерод глицерина (С1) вместо ацильной группы присоединяет альдегид (рис. 4). Радикал Х в плазмалогенах мышц представлен холином, в плазмалогенах мозга – серином или этаноламином.

Диольные фосфолипиды характеризуются тем, что вместо глицерина в составе их молекул содержатся двухатомные спирты: этиленгликоль или пропандиол; это одноцепочечные липиды. По физико-химическим свойствам, например растворимости, диольные фосфолипиды напоминают лизоформы фосфолипидов.

В отношении клеточных мембран они обладают более сильной разрушающей А – структурная формула, Б – стеспособностью, чем лизоле- реоконфигурация молекулы в цитин. В малых дозах они не повреждают мембрану, а цепи жирных кислот. Жирнолишь изменяют ее свойства, кислотный радикал во втором например, повышают про- положении представлен цис-формой.

ницаемость для небольших молекул и ионов. В больших дозах они вызывают гемолиз эритроцитов, снижают рецепцию ацетилхолина, модифицируют иммунные реакции. По-видимому, некоторые клетки используют это свойство – начинают интенсивно синтезировать диольные липиды в период быстрого роста и прекращают их образование, когда клеточный рост замедляется. Возможно, это связано с тем, что в период роста клеток их мембраны должны быть более лабильными. Они присутствуют в виде незначительных примесей в органах и тканях, характеризующихся усиленной активностью (созревание семян, регенерация печени и т.д.).

Биологическое действие диольных фосфолипидов основано на их способности модифицировать структуру мембраны. Любопытно, что существуют организмы, которым не страшны высокие концентрации диольных липидов. Клетки морских звезд, например, без вреда для их собственных мембран, хотя механизм защиты клеточных мембран от этих соединений не представителем этой группы фосфолипидов является кардиолипин – непременный компонент митохондриальных мембран, выделенный первоначально из сердечной мышцы Как упоминалось выше, кроме глицерофосфолипидов в группу фосфолипидов входят и сфинголипиды, которые можно представить как производные церамида (жирнокислотного эфира ненасыщенного аминоспирта сфингозина) и монофосфорных эфиров спиртов. В случае наиболее распространенного сфинголипида – сфингоРис. 6. Структурная миелина таким эфиром является фосформула кардиолипина форилхолин (рис. 7).

больших количествах в белом веществе мозга, в миелиновых оболочках нервных стволов. Жирные кислоты, входящие в его состав, – длинноцепочечные и содержат мало двойных связей.

Обычно это лигноцериновая С 24:0 и невроновая С 24:1 кислоты.

В сером веществе мозга до 70% жирных кислот сфингомиелина представлено стеариновой кислотой С 18:0.

Гликолипиды клеточных мембран - гликозильные производные церамида, представлены цереброзидами, сульфатидами и ганглиозидами (рис. 8). В гликолипидах гидрофобная часть представлена церамидом. Гидрофильная группа – углеводный остаток, присоединенный гликозидной связью к гидроксильной группе у первого углеродного атома церамида (рис.

9). В зависимости от длины и строения углеводной части различают цереброзиды, содержащие моно- или олигосахаридный остаток, и ганглиозиды, к ОН-группе которых присоединен сложный, разветвленный олигосахарид, N-ацетилнейраминовую кислоту (рис. 8).

Гликолипиды в большом количестве присутствуют в мембранах миелина. Природной функцией мембранных ганглиозидов является участие в дифференцировке нейрональной ткани, ганглиозиды других клеток - лимфоцитов, определяют видоспецифичность и регулируют межклеточные кон- Рис. 7. Структура сфингомиелина Накапливается все больше фактов, характеризующих роль Пунктиром обведена сфингозиновая различных гликолипидов в функции иммунокомпетентной системы организма. При определенных состояниях организма некоторые ганглиозиды могут являться модуляторами иммунного ответа.

Стероиды – спирты со стерановым скелетом, к которым относятся как немембранные липиды (из них наиболее важны гормоны), так и компоненты мембран. В перечень мембранных компонентов стероидного ряда входят холестерин, ситостерин, тетрахименин. В тканях животных распространен холестерин.

цереброзиды и ганглиозиды N-ацетилнейраминовая Таким образом, молекулы холестерина, как и другие липидные молекулы, имеют полярную голову и вытянутую в длину неполярную часть. Поэтому они хорошо встраиваются в бислойные липидные структуры, образующие клеточные мембраны (рис. 10). При образовании эфиров холестерина (через гидроксильную группу) связь молекулы с бислоем ослабляется, что облегчает его вытеснение из мембраны.

Особенно много холестерола содержится в наружных мембранах. Например, в плазматической мембране клеток печени холестерин составляет около 30% всех мембранных липидов.

Рис. 9. Структура гликолипидов – цереброзида (А) и Пунктиром обведены радикалы сфингозина и церамида.

4.1.2. РОЛЬ ХОЛЕСТЕРИНА В БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАНАХ

Было показано, что холестерин влияет на подвижность жирнокислотных хвостов мембранных липидов. Если мембрана слишком ригидна и существует опасность «застывания» жирнокислотных цепей, холестерин вызывает ее разжижение, поскольку цепи в его присутствии становятся более подвижными. Если же мембрана слишком «жидкая», то холестерин ее уплотняет. Таким образом, холестерол играет роль регулятора, обеспечивающего правильную упаковку липидной части мембраны, необходимую для ее нормальной работы. Для мутантных клеток, которые не могут синтезировать холестерол, необходимо его присутствие в культуральной среде. В его отсутствии мембраны быстро разрушаются.

Рис. 10. Структурная формула холестерина (А), и его упаковка в Звездочкой отмечен гидроксил, используемый для образования эфиров холестерина. I – область полярных голов; II – область, упорядочиваемая холестерином; III – область более подвижных цепей.

Один из возможных способов взаимной укладки молекул фосфолипида и холестерина показан на рис. 11. Предполагается, что неполярные цепи молекулы лецитина вытянуты, а ее полярная головка изгибается так, что образуется фигура, напоминающая трость. В образующуюся при этом полость помещается молекула холестерина. Некоторые исследователи оспаривают обоснованность этой модели и полагают, что молекулы холестерина плавают в мембране более или менее свободно, или что в мембранах имеются островки, представляющие собой мультимолекулярные комплексы холестерина с липидами.

Какова же природа уплотняющего действия холестерина?

Обычно углеводородные хвосты фосфолипидов располагаются не перпендикулярно к плоскости мембраны, а под некоторым углом. В присутствии холестерина наклон хвостов становится меньше. Каждая молекула лецитина занимает в присутствии холестерина меньшую площадь на поверхности мембраны, в результате чего происходит ее уплотнение.

В организм человека холестерин поступает с пищей и всасывается в кишечнике (300-500 мг/сут). Кроме тоРис. 11. Один из возможных го, в дополнение к потребспособов взаимной укладки ляемому с пищей в печени синтезируется 700- мг/сут холестерина. В процессе обмена холестерина возникает возможность образования ряда важных биохимических соединений: витаминов группы D, половых гормонов, минералокортикоидов (альдостерона), глюкокортикоида кортизола, противовоспалительного фактора кортизона. Обмен холестерола в организме связан с образованием и взаимопревращениями целого ряда биологически активных веществ, в частности, желчных кислот. Распад холестерина приводит к образованию желчных кислот: холевой, таурохолевой, и гликохолевой. Изменение содержания холестерина в органах и тканях может привести к тяжелым заболеваниям. При желчнокаменной болезни в желчном пузыре и печени образуются отложения холестерина – камни. При атеросклерозе повышается содержание холестерина в крови. Он аккумулируется на мембранах гладкомышечных стенок сосудов, вызывая сужение их просвета или даже закупорку.

Липидный состав различных мембран у различных животных существенно отличается (рис. 12).

В субклеточных фракциях преобладают ФХ и ФЭ, а в цитоплазматических – холестерин. Наблюдаются также различия индивидуальные (между отдельными особями) и сезонные (связанные со сдвигами в липидном обмене). При сравнении липидного состава мембран разного происхождения следует принимать во внимание лишь выраженные различия.

Рис. 12. Липидный состав цитоплазматических (А) и субклеточных (Б) мембран крысы (I), овцы (II) и быка (III) Фх – фосфатитилхолин, Фэ – фосфатидилэтаноламин, Фи – фосфатидилинозит, Фс – фосфатидилсерин, См – сфингомиелин, Х – холестерол.

Помимо того, что липиды являются основным структурным компонентом мембран, они выполняют и другие клеточные функции. Они входят в состав внутриядерных структур, таких как хромосомы, хроматин, ДНК-мембранный комплекс и ядерный матрикс. Они также принимают участие в регуляции репликации, репарации и транскрипции ДНК за счет изменения активности ферментов, принимающих участие в процессах биосинтеза нуклеиновых кислот. Фосфолипиды ядерного матрикса, в основном, состоят из сфингомиелина и фосфатидилхолина. В регенерирующей печени крыс сфингомиелин принимает участие в регуляции синтеза ДНК на ядерном матриксе.

Особенности липидного состава бактерий часто используют для их классификации. Деление их на грам-отрицательные и грамположительные основано на отсутствии или наличии окраски по Граму генцианфиолетовым в соответствии с наличием или отсутствием в составе клеточной стенки пептидогликанов и тейхоевых кислот. Особенностями строения бактериальной оболочки объясняется и тот факт, что на грам-положительные бактерии действует пенициллин, а на грам-отрицательные – стрептомицин.

4.1.3. ЖИРНЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ ПРОСТРАНСТВЕННАЯ

КОНФИГУРАЦИЯ

И фосфо-, и гликолипиды включают в состав молекул различные жирнокислотные радикалы (табл. 3). Холестерин и его аналоги также способны образовывать эфиры с разнообразными жирными кислотами. Вследствие этого свойства образующихся при этом липидов сильно варьируют. При всем разнообразии жирных кислот преобладающими для данной ткани являются обычно две или три из них.

В организме животных кроме пальмитиновой и олеиновой кислот содержатся большие количества стеариновой кислоты, а также и более высокомолекулярные кислоты с числом атомов углерода 20 и более. Как правило, они имеют четное количество атомов углерода; жирные кислоты с нечетным числом атомов встречаются только в составе цереброзидов и ганглиозидов.

Ацильные связи в молекулах природных фосфолипидов, как правило, представлены различными жирными кислотами. Они различаются как длиной цепи, так и степенью ее ненасыщенности.

Если ненасыщенной является лишь одна жирнокислотная цепь, то она присоединена ко второму углеродному атому глицерина.

Число двойных связей в молекулах жирных кислот колеблется от 1 до 6 и зависит от среды обитания, состава пищи, сезона и т.д.

Двойные связи в жирных кислотах животного происхождения разделены метиленовой группировкой –СН=СН-СН2-СН=СН-.

В высших растениях присутствуют, в основном, пальмитиновая, олеиновая, и линолевая кислоты (стеариновая почти не обнаруживается), а кислоты с четным числом атомов углерода от 20 до 24 встречаются крайне редко. Жирные кислоты растений часто имеют сопряженные (конъюгированные) связи:

-СН=СН-СН=СН-.

Таблица 3. Распространенные жирные кислоты в составе Соединение C22:6(4,7, 10, 13, 16, 19) докозогексаеновая 328,5 -44, Рис. 13. Пространственная конфигурация жирных кислот 1 – насыщенная углеводородная цепь, 2 – ненасыщенная цепь в цисконформации, 3 – насыщенная цепь в гош-конформации.

Углеродные связи в молекулах жирных кислот имеют различную конформацию (рис. 13). По своей структурной конфигурации насыщенные жирные кислоты сильно отличаются от ненасыщенных. Насыщенные жирные кислоты могут принимать множество конфигураций вследствие высокой свободы вращения вокруг одиночных С-С связей. Энергетически наиболее выгодной является транс-конфигурация. Ненасыщенные жирные кислоты имеют жесткую структуру, поскольку вращение вокруг двойных связей невозможно. Они существуют либо в транслибо в цис-конфигурации. Ненасыщенные жирные кислоты содержат двойные связи почти всегда в цис-конформации (Рис.

13), транс-ненасыщенные жирные кислоты в природе почти не встречаются. Исключение составляет лишь вакценовая кислота – конформационный антипод олеиновой кислоты. Температура плавления ее 44С, в то время как олеиновая кислота плавится при температуре 13,5С.

Цис-конфигурация двойной связи обусловливает изгиб цепи под углом приблизительно 30. По этой причине цис-ненасыщенные жирные кислоты с одной двойной связью вызывают локальные возмущения бислоя. При этом длина такой цепи уменьшается, а занимаемый ею объем возрастает (рис. 13). В области локализации двойных цис-связей образуются изгибы (так называемая гошформа).

При повышении температуры тепловая подвижность жирнокислотных цепей приводит к спонтанному возникновению изгибов.

Если изгибы, соответствующие гош-конформации, появляются на близлежащих участках жирнокислотной цепи, эта область может принимать вид петли или полости (кинк). В результате взаимопревращения транс- и гош-конформаций (так называемого трансгош-перехода) кинки могут «скользить» вдоль цепи, обеспечивая перемещение их содержимого поперек мембраны. Таким образом может осуществляться диффузия захваченной воды через гидрофобный бислой При повышении плотности упаковки бислоя конфигурационная подвижность С-С-связей ограничивается. В таком бислое подвижность цепей ограничена согласованными колебаниями или вращательной подвижностью около точки прикрепления жирнокислотных радикалов к полярной «головке» фосфолипида. В этой ситуации в бислое наиболее предпочтительны две конформации цепи: когда вся цепь находится в транс-конфигурации или когда имеется «двойной гош», то есть изгибы, возникающие на двух соседних участках цепи вследствие образования гош-конформации, компенсируют друг друга, и вся цепь в целом не имеет изгибов.

У бактерий полиненасыщенные жирные кислоты, как правило, отсутствуют. Для их мембран также характерно более высокое содержание свободных жирных кислот, которые в мембранах растений и животных содержатся в исчезающе малых количествах.

Синтез 16–18-углеродных жирных кислот осуществляется в цитоплазме. Удлинение жирнокислотных цепей осуществляется ферментными системами эндоплазматического ретикулума при участии НАДФН и малонил-КоА. Процесс удлинения может протекать также и в матриксе митохондрий. Образование двойных связей происходит при участии десатураз. У животных превращения олеил-КоА в олеинол-КоА (необходимых для вторичной десатурации) не происходит, вследствие чего линолевая, линоленовая и арахидоновая (полиненасыщенные) кислоты являются для них незаменимыми.

Ввиду высокой скорости обмена мембранных липидов синтез мембранных компонентов постоянно требует большого количества жирных кислот для образования диацилглицеридов. Из них образуются фосфатидная кислота, лежащая в основе обмена фосфолипидов, или галактозилдиглицерид, приводящий к гликолипидам.

Жирные кислоты включаются также в обмен сфинганиновых соединений, приводящий к образованию церамида и сфингозина. В обмен стероидов жирные кислоты вступают на последних стадиях, когда становится возможным образование эфиров холестерина и его аналогов.

Жирнокислотный состав мембранных липидов животных, в отличие от бактериальных и растительных организмов, не так своеобразен, но более вариабелен. Разные липиды обладают различным жирнокислотным составом (табл. 4). Специфика этого состава сохраняется при условии неизменности среды обитания, преимущественного характера питания и т.д.

C24:l – – – 14 ва диеты, особенно ее липидной части, быстро приводит к изменению липидного состава мембранных структур. Смена условий среды обитания, например, при переходе к зимней спячке у животных, при изменении солености у проходных рыб (смолтификация) и т. д., также изменяют жирнокислотный состав мембранных липидов, приспосабливая свойства мембран к условиям среды и новым потребностям организма.

Гипотеза адаптационной роли мембранных липидов была выдвинута и обоснована Е.М. Крепсом. Согласно этой гипотезе при сравнении мембран мозга рыб разных сред обитания наиболее резкие различия в жирнокислотном составе обнаруживают ганглиозиды (гликолипиды). В этой же фракции наиболее быстро обнаруживаются изменения в наборе жирных кислот при смене температур и глубины обитания, а именно: понижение температуры и увеличение глубины синергично повышают содержание полиненасыщенных жирных кислот в составе ганглиозидов. Цереброзиды и сульфатиды (другие гликолипиды) адаптационной изменчивости не проявляют.

4.2. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ

4.2.1. ФОСФОЛИПИДЫ КАК СТРУКТУРНАЯ ОСНОВА БИСЛОЯ

Классификация мембранных липидов показывает, что этот класс объединяет соединения, которые построены по единому плану, их стереоконфигурация имеет общие черты. По этой причине, оказавшись в водном растворе, фосфолипиды ведут себя сходным образом: проявляют стремление создать ансамбли из множества молекул липидов.

Тем не менее, липиды плохо растворяются как в полярном растворителе – воде (мешают неполярные хвосты), так и в неполярной среде – масле (мешают полярные головки). Самое энергетически выгодное для них расположение – мономолекулярный слой на поверхности раздела между водой и маслом, в этом случае их хвосты погружены в масло (рис.

14).

Чтобы подчеркнуть различное отношение к воде и к маслу, головки называют гидрофильными, а хвосты – липофильными. Соответственно липиды, молекулы которых содержат как гидро- Рис. 14. Мономолекулярный фильную, так и липофиль- слой липидов на поверхности ную группировку, называют раздела вода-масло и мицеллы амфифильными веществами липидов в масле и воде (или амфипатическими).

Рассмотрим поведение липидов в воде. Строение липидных агрегатов в воде может быть чрезвычайно разнообразным. Оно зависит не только от природы самого липида, но и от его концентрации, температуры и присутствия других веществ. Большинство липидов плохо растворимы в воде. Как строение липидных образований зависит от концентрации липидов? Липиды лишь при очень большом разбавлении находятся в воде в виде отдельных, не связанных между собой молекул.

Даже при небольшом повышении концентрации липида его молекулы объединяются в замкнутые агрегаты, так называемые мицеллы. Эту концентрацию называют критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). Для большинства мембранных липидов она составляет меньше 1% (рис. 14). При увеличении концентрации липида в воде и при понижении температуры количество таких мицелл растет. В разбавленных водных растворах образуются преимущественно шарообразные мицеллы - микроскопические капельки, у которых полярные головки обращены наружу, а неполярные хвосты обращены внутрь. В масле происходит аналогичный процесс, но тут мицеллы оказываются как бы вывернутыми наизнанку (рис. 14). Если еще более увеличить концентрацию липидов в воде, произойдет дальнейшее изменение структуры липидных ансамблей.

При относительно малом содержании воды фосфолипиды могут образовывать несколько типов жидкокристаллических структур (рис. 15). Среди них имеется ламеллярная (слоистая) структура, состоящая из чередующихся липидных бимолекулярных слоев и водных промежутков, а также цилиндрические структуры из молекул липидов, расположенных в водной фазе. Одна структура может переходить в другую при изменении концентрации воды и температуры. Часто липиды образуют агрегаты различных типов одновременно, причем они могут переходить друг в друга. Такое поведение называют «мезоморфизмом». Если переход одних агрегатов в другие зависит от содержания воды, говорят о «лиотропном мезоморфизме». Когда он осуществляется под влиянием изменения температуры – о «термотропном мезоморфизме». Такие фазовые переходы возможны и в биологических мембранах, они играют большую роль в жизни клеток.

Если концентрация липидов в воде высока, то мицеллы сливаются и образуются плоские бимолекулярные слои (рис. 16), являющиеся аналогами структуры мембранного липидного бислоя.

Рис. 15. Структуры липидных агрегатов в воде А – гелеобразная, Б – ламеллярная, В – цилиндрическая (гексагональная) фаза липидов в воде, Г – цилиндры воды в липидной фазе.

Наличие у молекул липидов двух частей – сильно полярной (головки) и неполярной (хвостов) имеет прямое отношение к их способности самопроизвольно образовывать мембраны - происходит так называемая самосборка мембранного бислоя. В бислойных структурах полярные «головы» обращены к воде, а гидрофобные хвосты ориентированы внутрь бислоя. Как искусственные, так и естественные мембраны всегда замкнуты сами на себя, образуя полые вакуоли, пузырьки, везикулы, плоские замкнутые мешки или трубчатые образования.

Рис. 16. Сплошной бимолекулярный слой, образующийся в воде при Природные фосфолипиды – выраженные амфифилы. Величина ККМ для них очень мала. Другими словами, уже при низких концентрациях при комнатной температуре они образуют упорядоченные мицеллы, сливающиеся при повышении концентрации фосфолипида в однослойные или многослойные агрегаты, которые называют липосомами.

Какие силы заставляют липиды объединяться в агрегаты, состоящие из многих молекул? Бислойная структура стабилизируется гидрофобными взаимодействиями в области ацильных цепей и полярными взаимодействиями на границе раздела водной и липидной фаз. В основе полярных взаимодействий действуют ионные, диполь-дипольные, водородные и вандерваальсовы связи. Все они являются слабыми. Важная роль слабых взаимодействий в стабилизации бислоя объясняется их высокой плотностью. Не менее важна роль и гидрофобных взаимодействий. Так как термодинамически невыгодно неполярным хвостам липидов взаимодействовать с упорядоченной структурой воды (которая стабилизирована водородными связями), липиды стремятся избежать взаимодействия с водой и объединяются в агрегаты. Такое взаимодействие между липидами, вызывающее их «неприязнь» к воде, называют гидрофобным взаимодействием. Гидрофобные силы определяют как «способность аполярных групп к тесному контакту в водных средах, которое обеспечивает вытеснение воды из образуемых агрегатов».

Мы говорили о поведении липидов в чистой воде. Но жизнь клеток проходит не в дистиллированной воле, а в растворах, содержащих те или иные соли. Поэтому необходимо рассмотреть влияние солей на липидные агрегаты. Липидная мицелла с суммарным отрицательным зарядом будет не безразлична к солевому составу окружающей ее среды. На поверхности раздела между водой и липидом создается разность потенциалов.

Если к водной среде добавить поваренную соль (хлористый натрий), то положительно заряженные ионы натрия (Na+) будут связываться поверхностью мембраны, а отрицательно заряженные ионы хлора (Cl-) – отталкиваться в водную фазу. Обычно приповерхностную область разделяют на 2 части – ближайшую к поверхности липида, в которой ионы натрия стабилизированы (там концентрация ионов больше, – сольватация) и внешнюю, диффузную часть, в которой ионы передвигаются более свободно.

Как известно, в воде присутствуют в очень малой степени положительные ионы водорода и отрицательно заряженные гидроксильные группы. Ионы водорода притягиваются отрицательно заряженной поверхностью мицеллы, а гидроксильные группы – отталкиваются в водную фазу. Поэтому кислотность среды вблизи поверхности мицелл отличается от кислотности водного раствора.

И по своим физическим свойствам вода вблизи поверхности мицеллы заметно отличается от обыкновенной воды, например, она не замерзает при 0С.

Таким образом, у поверхности липидов в воде существенно меняются концентрация солей, физические свойства и кислотность среды.

Форма и размеры образуемых липидных ассоциатов зависят от многих факторов:

1) от длины ацильных цепей фосфолипидов, 2) от жирнокислотного состава фосфолипидов 3) от степени ненасыщенности ацильных цепей фосфолипидов, 4) от структуры полярной части молекул фосфолипидов.

Рассмотрим перечисленные факторы.

1) Упаковка жирнокислотных цепей в мицеллах зависит от длины углеводородной цепи. При малых значениях n (до 16) количество молекул, необходимых для формирования мицеллы, таково, что в ее объеме жирнокислотные цепи располагаются достаточно свободно. Структурную стабильность таких мицелл поддерживают полярные связи. При возрастании длины жирнокислотной цепи плотность упаковки в мицеллах увеличивается быстрее, чем их размер, и внутреннее содержимое мицелл становится более компактным благодаря усилению связей между гидрофобными цепями. Гидрофобные взаимодействия зависят от степени контакта между ацильными цепями – эффективность этих взаимодействий обратно пропорциональна подвижности цепей. Один из важных факторов, регулирующих подвижность,– наличие двойных связей в цепи.

2) Подавляющее большинство природных жирных кислот содержит четное количество атомов углерода. Ранее это связывали с удобствами превращения этих соединений в процессе окисления. Затем было показано, что жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода в цепи также подвергаются окислительным превращениям. Но обращает на себя внимание разная стабильность мицелл, образуемых жирными кислотами с четным и нечетным числом атомов углерода. Об этом говорит величина энергии, которую необходимо сообщить структуре для перевода ее из кристаллического в жидкое состояние. Из таблицы 5 видно, что изменение энтальпии для жирных кислот с четным количеством атомов углерода выше, т.е. образуемые ими ассоциаты структурно стабильнее.

3) Углеводородные цепи липидных молекул бывают двух видов: насыщенные и ненасыщенные, причем у ненасыщенных цепей может быть одна или несколько двойных связей. Если пленка состоит из смеси насыщенных и ненасыщенных фосфолипидов, то в месте расположения двойных связей нарушится порядок, так как не будет соблюдаться строго параллельное расположение цепей.

Поэтому пленки из смеси липидов, содержащих как насыщенные, так и ненасыщенные цепи при той же температуре являются более жидкими, чем пленки, построенные из липидов, содержащих только насыщенные цепи.

Это явление имеет огромное значение для нормальной работы биологических мембран в живой клетке. Для того, чтобы клетка могла проявлять процессы жизнедеятельности, липиды, входящие в состав ее мембран, обязательно должны находиться в состоянии «жидкой» пленки. Только в этом состоянии может быть обеспечено правильное функционирование мембранных белков и нормальное прохождение различных веществ через мембрану. Было, например, показано, что при замене ненасыщенных липидов на насыщенные в мембранах бактерий скорость прохождения веществ через мембрану падает в 20 раз.

Таблица 1. Зависимость температуры плавления и энтальпии фазового перехода жирных кислот от длины их углеродной цепи Число атомов углерода в Температура Изменение энтальпии жирнокислотной цепи Понятно поэтому, что клетки очень чутко реагируют на изменение температуры, стремясь к тому, чтобы их мембрана постоянно оставалась в «жидком» состоянии. Как только снижается температура окружающей среды, бактерии заменяют насыщенные липиды в своих мембранах на ненасыщенные. Так же ведут себя и клетки растений. Организм человека и теплокровных животных обеспечивает жидкое состояние своих клеточных мембран, поддерживая строго постоянную температуру тела. У некоторых животных это свойство принимает причудливые формы. Например, в ногах пингвина и северного оленя температура падает по мере удаления от корпуса, соответственно мембраны клеток в этих тканях все более обогащаются ненасыщеными жирными кислотами.

4) Способность липидов к самоорганизации (самосборке) зависит, конечно, не только от их углеводородных цепей, но и от природы полярных головок. Головки несут либо отрицательный заряд, либо одновременно отрицательный и положительный заряды, нейтрализующие друг друга. Именно последний тип липидов (нейтральные) преобладает в большинстве клеточных мембран. Это не случайно. Липидам с отрицательно заряженными головками трудно объединяться в агрегаты, так как между головками действуют электростатические силы отталкивания. В случае электронейтральных полярных головок липидные молекулы могут быть упакованы так, чтобы полностью реализовалась выгода гидрофобного взаимодействия неполярных цепей.

В зависимости от размеров полярных областей фосфолипидов возникает асимметрия мембранного бислоя, что является важной особенностью мембран.

4.2.2. ТРАНСМЕМБРАННАЯ АСИММЕТРИЯ ЛИПИДОВ Клеточные мембраны замкнуты, они имеют внутреннюю и внешнюю поверхности, различающиеся по липидному и белковому составу – эту особенность мембран называют трансмембранной асимметрией. Характерная особенность биологических мембран – различный состав липидов по обе стороны бислоя. Известно несколько механизмов, обеспечивающих асимметричное распределение фосфолипидов в мембране. Один из них связан с термодинамической вероятностью распределения липидов в соответствии со стереоконфигурацией их молекул. Асимметрия липидов возникает, прежде всего, потому, что в случае замкнутого мембранного бислоя липиды с более объемными полярными «головками» стремятся находиться в наружном монослое, так как там площадь поверхности, приходящаяся на полярную «головку», больше. По этой причине фосфатидилхолины и сфингомиелины локализованы преимущественно в наружном монослое, а фосфатидилсерин и фосфатидилэтаноламин, в основном, во внутреннем. Это, соответственно, приводит к различиям в заряде фосфолипидов и различной гидратации их полярных «голов» по обе стороны бислоя.

Второй механизм реализуется за счет различий в составе среды по обе стороны бислоя в условиях нативной клетки. С внеклеточной стороны мембрану омывает среда с высоким содержанием натрия и кальция, а со стороны цитоплазмы мембрана контактирует с магнием и калием. Различия ионного состава вне- и внутриклеточной среды вносят вклад в создание и поддержание изгибов, то есть в асимметрию бислоя. Именно этот фактор обеспечивает создание градиента кривизны, складок, сморщиваний, отшнуровку частей биологической мембраны в виде везикул.

4.2.3. РАЗЛИЧНЫЕ ВИДЫ ПОДВИЖНОСТИ КОМПОНЕНТОВ

ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ

Молекулам в изотропной жидкости присущи разные виды подвижности: вибрационные колебания, вращение, трансляционные движения. В анизотропном бислое, напротив, молекулярная подвижность его компонент упорядочена. Различные типы подвижности проиллюстрированы на рис. 17.

Молекулы фосфолипидов способны к нескольким видам подвижности в бислое:

1) изменение ориентации полярных голов 2) латеральное движение, 3) колебания ацильных цепей, 4) образование кинков и их перемещение вдоль ацильных цепей (в поперечном направлении), 5) ротационная подвижность (вращение вокруг длинной оси), 6) переход с одной стороны бислоя на другую (по типу флипфлоп), 7) выход из бислоя.

Рассмотрим некоторые виды подвижности молекул фосфолипидов подробнее.

Способность липидов перемещаться в мембране в латеральном (продольном) направлении показана многими Рис. 17. Виды подвижности I – изменение ориентации пос относительно высокой сколярных голов, II – быстрая латеростью. Она делает возможральная диффузия в двумерном пространстве бислоя, III – бысткластеров. Латеральная дифрые колебания жирнокислотных цепей, IV – образование кинков и их продвижение по ацильным даже при температуре крицепям, V – вращательная под- сталлического состояния. Повижность вокруг длинной оси, видимому, единственный меVI – медленный обмен между ханизм, который мог бы удовкомпонентами монослоев мемлетворительно объяснить этот браны.

факт, заключается в латеральной неоднородности мембраны, наличии дефектных зон (пустот), куда могут вытесняться молекулы из соседних упорядоченных областей.

Упорядоченность мембран, измеряемая с помощью ЭПР спектроскопии, снижается при движении к метильному радикалу ацильной цепи, что свидетельствует об увеличении подвижности жирнокислотных цепей в этом направлении.

Различные конфигурации молекул жирных кислот, возникающие при поворотах (вращении) вокруг единичной С-С связи, называют ротамерами, или конформерами, а изменение конформации молекулы за счет таких поворотов носит название транс-гош изомеризации. Вращательная подвижность молекул фосфолипидов, измеренная методом ЯМР, показала, что подвижность гидрофобных сегментов цепи повышается в направлении от сложноэфирной связи к метильной группе, т.е. к центру бислоя.

Трансмембранный переход «флип-флоп» типа. В липидных искусственных мембранах такие переходы осуществляются весьма медленно, например, полупериод перехода молекул холестерина с одной стороны бислоя на другую в липосомах из фосфатидилхолина занимает более 24 часов, однако, в принципе, такой переход возможен. Молекулы липидов не могут преодолеть липидный бислой в поперечном направлении путем перескока молекул с одной стороны бислоя на другую (флип-флоп), если в молекуле нет особых ферментов, известных под названием транслокаторов. Липиды и в биологических мембранах с довольно большой частотой мигрируют с одной стороны мембраны на другую, то есть совершают «флипфлоп» переходы. Возможно, что гетерогенность липидного состава биологических мембран увеличивает вероятность «флип-флоп» перехода в природных мембранах. Одним из результатов этой гетерогенности является возможность образования гексагональной фазы (вывернутых везикул), кратковременное существование которых позволяет вовлекать молекулы липидов с одной стороны бислоя, а возвращать их на другую.

Следовательно, динамическое состояние бислоя с высокой подвижностью его компонентов определяется одновременно несколькими факторами. С одной стороны, это вращательная подвижность отдельных молекул фосфолипидов. Вблизи метильного конца она осуществляется для каждой молекулы независимо, но с приближением к полярной «голове» и возрастанием плотности упаковки (особенно начиная с 9 углеродного атома, ближе которого к поверхности бислоя не встречается цис-двойных связей) подвижность уменьшается.

4.2.4. ДЕФЕКТНЫЕ ЗОНЫ. РОЛЬ ХОЛЕСТЕРИНА Различные виды подвижности липидных компонентов в бислое нарушают гомогенную упаковку и приводят к образованию различных дефектов. Высокая скорость вращения жирнокислотных радикалов вокруг С-С-связей, а также наличие в мембране в составе фосфолипидов цис-изомеров ненасыщенных жирных кислот делают бислой достаточно рыхлым. Образование дефектов такого рода демонстрирует рис. 18.

Рис. 18. Образование дефектов в мембранном бислое А – обе жирнокислотные цепи молекулы фосфолипида находятся в транс-конфигурации, вращение вокруг С-С связей, указанное круговыми стрелками, ничем не ограничено (I); в результате несогласованного вращения образуется скошенная (гош-) конформация (II) или кинк (III);

Б – влияние кинков на упаковку бислоя: I – кинки отсутствуют, II – один кинк на жирнокислотную цепь, III – два кинка на жирнокислотную цепь.

Рассмотрим сначала насыщенные углеводородные цепи. Наиболее стабильна транс-конформация (I), в которой цепь максимально вытянута и не меняет своего направления, тогда как в гош-конформации ее направление меняется (II) и образуется дефект упаковки. Последовательность гош-транс-гош для трех смежных С-С связей приводит к появлению в цепи излома (кинка), в результате чего участки цепи выше и ниже цепи излома оказываются значительно смещенными друг относительно друга (III) – образуется дефект. Возможность образования таких структур обеспечивает возникновение подвижных дефектов, способных захватывать целые блоки мембраны – кластеры. Их концентрация и подвижность зависит от температуры.

В случае ненасыщенных жирных кислот почти все двойные связи в мембранных липидах находятся в цис-форме. Как и в случае гош-формы, это приводит к изменению общего направления цепи – образуется дефект (рис. 19). Такие пространственные дефекты бислоя, индуцируемые включением в него ненасыщеных жирных кислот, являются более стабильными. В результате появления дефектов бислой становится более рыхлым.

Рис. 19. Изменение упаковки бислоя при термоиндуцированном фазовом переходе (от А к Б) и при встраивании в бислой Указаны толщина бислоя в ангстремах и площадь сечения, занимаемая каждой молекулой фосфолипида.

Рассмотрим вызванное дефектами изменение геометрии бислоя. Растянутая углеводородная цепь жирной кислоты, содержащая 18 углеродных атомов, имеет длину примерно 23– 24, что возможно в случае геля, то есть в случае высокоструктурированного (упорядоченного) состояния липидов. По этой причине можно было бы предположить, что бислой, составленный из фосфолипидов, жирные кислоты которых содержат 18–20 углеродных радикалов, должен иметь толщину более 47. Однако реальная толщина мембраны редко превышает это значение (она составляет на 15–20% меньшую величину). Это указывает, что жирнокислотные радикалы бислоя не распрямлены полностью, а образуют рыхлые структуры.

Из-за этого факта площадь мембраны оказывается несколько большей, чем следует из расчета теоретического пространства, приходящегося на одну молекулу фосфолипида. Встраивание холестерина в бислой делает возможным изменение формы мембран в результате значительной деформации обеих сторон липидного бислоя, так как в отличие от фосфолипидов холестерин может легко перемещаться из одного монослоя в другой. При таких воздействиях и толщина бислоя несколько возрастает.

Наличие в углеводородных цепях кинков, двойных связей (и других особенностей) приводит к увеличению площади поперечного сечения цепи (минимальное ее значение составляет около 19 2) при полностью транс-конфигурации; это может иметь важные последствия для упаковки липидов в бислое. В жидкокристаллической фазе появление в цепи гош-конформеров увеличивает эффективное поперечное сечение цепей по меньшей мере до 50 2. Толщина бислоя уменьшается за счет наличия в цепях гош-конформеров, приводящих к разупорядочиванию цепей, причем сами цепи в целом растянуты и расположены перпендикулярно поверхности бислоя.

В фазе геля насыщенные углеводородные цепи фосфолипидов находятся преимущественно в полностью транс-конформации.

Минимальная площадь поперечного сечения молекулы диацильного фосфолипида равна около 38 2. Примерно такую же площадь занимает полярная головка фосфатидилэтаноламина, поэтому насыщенные фосфатидилэтаноламины в фазе геля упаковываются так, что их ацильные цепи располагаются перпендикулярно плоскости бислоя (как в липидных кристаллах).

На рисунках и схемах цепи фосфолипидов в бислое, как правило, представляют скошенными относительно перпендикулярной оси мембран. Угол наклона цепей определяется природой полярной головы молекулы: наклон возникает в том случае, если объем гидратированной головы молекулы больше площади сечения ее хвостовой части. Например, в случае кристаллов фосфатидилхолина минимальная площадь, приходящаяся на одну полярную головку, составляет примерно 50 2. Поэтому дипальмитоилфосфатидилхолин (38 2) в фазе геля не может упаковываться так, как фосфатидилэтаноламин. В этом случае ацильные цепи дипальмитоилфосфатидилхолина отклоняются на 30о от нормали к бислою, благодаря чему их поперечное сечение увеличивается и достигается соответствие размеру полярной головки. При этом углеводородные цепи сохраняют полностью транс-конформацию. В случае, когда эти величины равны (например, для фосфатидилэтаноламина), скоса практически не наблюдается.

Наличие перечисленных особенностей обеспечивает определенную рыхлость упаковки (микровязкость) мембранного бислоя при нормальных условиях.

Для мембран характерна высокая степень текучести бислоя, обеспечивающая способность липидов и белков к латеральной диффузии. Повышенная плотность упаковки (структуризация) бислоя увеличивает сопротивление диффузии молекул, транспортируемых через мембрану, повышает ее микровязкость. Так что скорость перемещения молекул зависит от микровязкости мембран, которая, в свою очередь, определяется относительным содержанием насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в составе липидов. Микровязкость мембран меньше, если в составе липидов преобладают ненасыщенные жирные кислоты, и больше при высоком содержании насыщенных жирных кислот. На этот параметр влияют также размеры углеводородных «хвостов» липидов, с увеличением длины которых микровязкость бислоя уменьшается.

4.2.6.ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ МЕМБРАННЫХ ЛИПИДОВ В водной среде различные структуры (рис. 20), образуемые фосфолипидами (ламеллярные, мицеллярные, гексагональные) ведут себя как жидкие кристаллы, то есть анизотропные жидкости, обладающие признаками упорядоченности.

Таким структурам присущи лиотропный мезоморфизм (зависимость структуры от гидратации) и термотропный мезоморфизм (зависимость структуры от температуры). Представления о лиотропном и термотропном мезоморфизме как свойствах мембран связаны между собой. Фазовые переходы липидов, осуществляющиеся по типу «гель – жидкий кристалл», происходят при температуре (Ткр), величина которой зависит от содержания воды в системе. Ткр достигает минимума, как только общее содержание Рис. 20. Структуры, образуемые в водных суспензиях липидами, склонными к созданию ламеллярных образований (А) и небислойных гексагональных образований (Б) воды превышает то количество, которое могут связывать липидные структуры. Фазовая диаграмма для яичного лецитина, характеризующая Примером того, как существенно влияет вода на фазовые переходы, является модификация фазового сос-тояния мембраны под влиянием перекисного окис-ления лиРис. 21. Фазовая диаграмма пидов (ПОЛ), когда Ткр снисмеси яичного лецитина с водой жается. Это явление объясняется увеличением содержаI – жидкокристаллическое состояние, бислой; II – двуфазная ния воды в бислое. Почему система: вода-бислойные струк- это происходит?

туры; III – область сосу- Гидратация бислоя завиществования ламеллярных и сит от присутствия заряженгексагональных структур; IV – гель. Ткр – кривая температуры фазового перехода.

индукции ПОЛ. Образующиеся в качестве промежуточных продуктов гидроперекиси являются высоко гидрофильными, они эффективно разрушают бислой, увеличивая доступность гидрофобных доменов мембраны для молекул воды. Именно по этим причинам ПОЛ имеет такое «разрушительное» влияние на мембранные структуры.

В момент фазового перехода бислоя происходит несколько одновременных событий: возрастает подвижность полярных -N+-(CH3)3групп; увеличивается вращательная подвижность С-С связей, что приводит к облегчению транс-гош перехода и образованию кинков; увеличивается скорость латеральной диффузии молекул (рис. 22). Следствием этого являются два важных обстоятельства: изменение геометрических размеров бислоя, которое объясняется латеральным расширением площади, занимаемой каждой молекулой фосфолипидов, увеличением гидрофобного объема мембраны.

Рис. 22. Схематическое изображение четырех фазовых состояний ламеллярного бислоя, образованного чистым димиристоилфосфатидилхолином Сплошная стрелка обозначает быстрые (порядка минут или меньше), а пунктирная – медленные (порядка месяцев) переходы.

Рис. 23. Разделение фаз в гетерогенном бислое (А) с одновременным фазовым переходом части бислоя (Б) под влиянием температуры Из-за неодновременности проявления этих свойств в ходе фазовых перестроек бислоя более упорядоченные области мембраны сосуществуют с уже расплавленными – наблюдается фазовое разделение (рис. 23).

В этих условиях для мембраны характерно существование разного рода дефектов, индуцирующих взаимодействие белковых молекул друг с другом, встраивание в бислой соединений, повышение проницаемости для ионов и т. д.

Фазовые переходы, индуцируемые температурой, – объективная характеристика бислоя, состоящего из одного или нескольких (не больше 2–3 компонентов). В случае гетерогенных систем методы регистрации дают результаты, не поддающиеся однозначной интерпретации. Фазовые переходы в мембране индуцируются не только изменениями температуры. Они могут быть вызваны сдвигом pH среды, электрическим потенциалом, двухвалентными катионами, способствующими образованию кластеров определенных фосфолипидов и разделению фаз; фазовые переходы также сопровождают действие гормонов на биологические мембраны. Таким образом, исследование термотропных переходов имеет не только теоретическое значение: аналогичные переходы осуществляются в биологических системах при подготовке животных к гибернации или выходе из зимней спячки, при термоадаптациях, адаптации мигрирующих рыб к морской воде и т. д.

Кроме перехода типа «гель – жидкий кристалл» липиды могут претерпевать превращения другого рода, приводящие к образованию гексагональной фазы НII (рис. 20). Эти небислойные структуры легко образуют короткоцепочечные фосфолипиды с полярными головами (например, фосфатидилсерин, фосфатидная кислота). Образованию гексагональных структур способствуют такие явления как повышение температуры, увеличение ненасыщенности жирнокислотных цепей, высокая ионная сила при щелочном рН, а также понижение гидратации бислоя. Переход отдельных участков бислоя в фазу НII приводит к нарушению целостности мембраны, формированию каналов проницаемости, образованию дефектных зон.

В искусственных мембранах были зарегистрированы переходы такого рода. В нативных мембранах, вероятно, они также могут образовываться. Для мембран хлоропластов переходам бислоя в гексагональную НII–фазу приписывается важная регуляторная роль. Предполагают, что в мембранах саркоплазматического ретикулума мышц такие переходы могут индуцироваться в результате ферментативного обмена жирнокислотными цепями между длинноцепочечными фосфатидилсерином и короткоцепочечным фосфатидилхолином.

В мембранах эубактерий обнаруживается большое количество липида, склонного к образованию гексагональных структур – плазменилэтаноамина. Превращение его в глицероацетальплазмалоген препятствует образованию фазы НII. Обратная реакция, выражающаяся в увеличении ненасыщенности мембранных компонентов и «разрыхлении» ее структуры, индуцирует образование гексагональной фазы в мембране. Как уже упоминалось, гексагональная фаза может облегчать флипфлоп переходы липидных молекул.

4.2.7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ МЕМБРАННЫХ ЛИПИДОВ

Микровязкость и фазовые переходы липидов определяют функциональную динамичность мембраны. Совершенно очевидно, что липидный состав различных мембран не является случайным, однако удовлетворительного объяснения этому феномену не найдено. Клеточная мембрана может содержать более 100 разных типов липидных молекул. Почему их так много и почему каждая мембрана имеет уникальный липидный состав, пока неясно. Но становится все более очевидным, что липиды активно участвуют в процессах, протекающих в мембранах. Рассмотрим некоторые факторы, возможно, предопределяющие липидный состав мембраны.

1. Смесь липидов обязательно должна быть способна образовать стабильный бислой, в котором могли бы функционировать белки.

2. Некоторые липиды способствуют стабилизации сильно искривленных участков мембраны, образованию контакта между мембранами или связыванию определенных белков, поскольку форма этих молекул благоприятствует нужной упаковке бислоя на соответствующих участках мембраны.

3. Некоторые липиды являются важными биорегуляторами.

Наиболее изучена в этом отношении регуляторная роль производных фосфатидилинозитола в плазматических мембранах клеток эукариот. Некоторые мембранные липиды являются предшественниками вторичных посредников при передаче гормонального сигнала. Так, фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат (ФИФ 2 ) под действием фермента фосфолипизы С гидролизуется до диацилглицерола, ДАГ, активатора протеинкиназы С, и инозитол-1,4,5-трисфосфата (ИФ 3 ) – регулятора кальциевого обмена в клетке (см. раздел 8). ДАГ, ИФ 3, протеинкиназа С и Са 2+ – участники фосфоинозитольной системы передачи сигнала, причем два первых образуются из мембранных компонентов, третий являетcя мембраносвязанным белком, а последний (кальций) – является ионом, проникающим через специальные каналы на клеточной мембране и запускающим этот процесс.

4. Некоторые липиды участвуют в реакциях биосинтеза. Например, в клетках E. сoli фосфатидилглицерол поставляет глицерофосфатный фрагмент при биосинтезе периплазматических олигосахаридов.

5. Отдельные липиды необходимы для поддержания оптимальной активности ряда ферментов. Они формируют среду для функционирования мембранных белков, способных принимать нативную конформацию лишь в гидрофобном окружении. Выделенные из мембран ферменты, лишенные липидного окружения, как правило, не проявляют каталитической активности, или изменяют ее при изменении гидрофобности среды. Такова, например, митохондриальная креатинкиназа, фермент, катализирующий образование креатинфосфата. Для проявления ее нормальной активности требуется взаимодействие с кардиолипином внутренней мембраны митохондрий.

6. Ганглиозиды (гликолипиды), как полагают, играют важную роль в регуляции роста клеток, являются специфическими рецепторами в плазматической мембране и ответственны за клеточную адгезию.

7. Кроме того, некоторые липиды выполняют «якорную» функцию, например, к молекуле фосфатидилинозитола через олигосахарид могут присоединяться специфические белки наружной поверхности клетки – образуется фосфатидилинозитолгликан. Пример такого заякоренного белка – ацетилхолинэстераза, катализирующая гидролиз ацетилхолина в синаптической щели. Этот фермент фиксируется на постсинаптической мембране, ковалентно присоединяясь к фосфатидилинозитолгликану. При участии фосфолипазы С (гидролизующей мембранные липиды) может происходить модификация мембраны и отделение белков от внешней поверхности клетки.

8. Липиды могут быть аллостерическими активаторами мембранных ферментов. Фермент протеинкиназа С катализирует реакции фосфорилирования белков. В неактивной форме протеинкиназа С находится в цитозоле. Однако после стимуляции клетки (повышении в клетке концентрации кальция) фермент быстро активируется ионами кальция и оказывается связанным с мембраной.

Функционально активная протеинкиназа С – комплекс, содержащий мономер фермента, молекулу диацилглицерола, один или более ионов кальция и четыре молекулы фосфатидилсерина.

Экспериментально было показано, что организмы часто могут выдерживать, причем без всяких последствий, существенные изменения липидного состава мембран. Например, с помощью генетической трансформации можно получить жизнеспособный штамм E. coli, в мембранах которых содержится до 34% фосфатидной кислоты, обычно отсутствующей в штаммах дикого типа. 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.

Другой мембранный компонент, углеводы, в составе мембран обнаруживаются лишь в соединении с белками (гликопротеины и протеогликаны) и липидами (гликолипиды). В мембранах гликозилировано около 10% всех белков и от 5 до 26% липидов (в зависимости от объекта). В числе углеводных компонентов – глюкоза, галактоза, нейраминовая кислота, фукоза и манноза.

В составе соединительной ткани и межклеточного вещества обнаруживаются протеогликаны: углеводные компоненты в них сульфатированы. Их типичными представителями являются хондроитинсульфат, дерматансульфат и гепарансульфат.

Углеводные компоненты мембранных структур в подавляяющем большинстве открываются во внеклеточную среду.

Их функции связаны с контролем за межклеточными взаимодействиями, поддержанием иммунного статуса клетки, обеспечением стабильности белковых молекул в мембране.

В качестве наиболее распространенного примера гликопротеинов обычно приводят иммуноглобулины крови, но это не мембранные гликопротеины. Типичным примером гликоконъюгатов, выполняющих свои функции в составе мембран, являются антигенные детерминанты эритроцитов различных групп крови. Они представлены как гликолипидами, так и гликопротеинами, в числе которых – белок гликофорин.

Очень важна роль углеводного компонента белковых молекул в формировании специфических функций мембранных белков и липидов. Многие белковые молекулы, особенно биологически активные вещества (например, нейропептиды), синтезируются в виде крупных, неактивных предшественников, которые затем расщепляются специфическими протеазами с формированием «зрелых» биологически активных продуктов.

Деятельность протеаз контролируется уровнем гликозилирования белков. Так, многие белки, синтезируемые вначале как гликопротеины, в дальнейшем в результате процессинга теряют олигосахаридную часть.

4.4. МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ – ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ

Если липиды – относительно низкомолекулярые соединения с молекулярным весом около 1000 дальтон (1 килодальтон, кДа), то белки относятся к высокомолекулярным соединениям. Их молекулярный вес достигает 1000 кДа и более.

Белковые цепи состоят из различных аминокислот, имеющих или гидрофильную, или гидрофобную природу. Белковая цепь включает сотни аминокислотных остатков. Отдельные белки различаются между собой не только по числу аминокислотных остатков, но и по их структуре и по порядку следования друг за другом. Физико-химические и биологические свойства белка определяются именно последовательностью аминокислотных остатков в ее цепи, то есть своей первичной структурой. В растворе белковая цепь не имеет форму вытянутой нити, а частично образуют -спираль. Между -С=О и -NН группами, если они достаточно близко подходят друг к другу, возникают водородные связи, которые придают устойчивость спиральным участкам:

-С=О….Н-N-. Протяженность спиральных участков определяется включением в белковую цепь аминокислоты пролина, в этом участке образуются изгибы.

Некоторые аминокислоты плохо укладываются в спирали и возникает так называемая -складчатая структура. Кроме того, остатки цистеина, даже расположенные на большом расстоянии друг от друга, могут сшиваться между собой ковалентными S–S связями. В результате белковая молекула сворачивается в компактную глобулу. Глобулярная структура характерна для белков, функционирующих в гидрофильной среде (в цитоплазме). Имеются и белки, которые в силу особенностей аминокислотного состава (в частности, низкого содержания пролина) принимают форму длинных фибрилл (фибриллярные белки).

Поскольку функции белков определяются особенностями их структуры и упаковки, ученые обращают особое внимание на это обстоятельство. Различают несколько видов белковых структур, различающихся по сложности. Последовательность аминокислот называют первичной структурой, поскольку именно она во многом определяет свойства белковой молекулы. По-видимому, именно в первичной структуре «записана» информация о том, какая будет вторичная структура белка, составленная из -спиралей и -складок. Белковые глобулы рассматривают как пример третичной структуры – на ее уровне формируется специфическая ферментативная, рецепторная и другие виды активности белковой молекулы. При ассоциации нескольких глобул определенным образом между собой образуется четвертичная структура, приобретающая способность тонкой регуляции белковых функций. Как происходит образование белковых ассоциатов при формировании четвертичной структуры?

Если полярных участков в молекуле белка недостаточно для того, чтобы изолировать гидрофобные участки глобулы от соприкосновения с водой, то часть из них окажется на поверхности. Для того, чтобы уменьшить невыгодные контакты с водой, гидрофобные белки образуют ассоциаты, состоящие из нескольких субъединиц.

Именно такое строение имеет подавляющее число мембранных белков, поэтому можно предположить, что в их составе преобладают аминокислоты с неполярными радикалами. Для ряда мембранных белков это действительно справедливо.

Молекула гликопротеина состоит из белкового остова, к которому присоединены сахарные цепочки. Длина и состав цепочек могут варьировать. Заштрихованными фигурами обозначены радикалы аминокислот.

Важный белковый компонент мембраны – гликопротеины – белковые молекулы, содержащие углеводные цепочки (рис. 24).

Периферические белки или домены интегральных белков, расположенные на наружной поверхности мембраны, почти всегда гликозилированы.

Углеводные цепочки гликопротеинов имеют разнообразную структуру. Роль гликопротеинов в жизни клетки многообразна.

Некоторые из них играют роль ферментов, другие обладают гормональной активностью. Предполагают, что одна из функций процесса гликозилирования – обеспечить возможность белкам, синтезированным в аппарате Гольджи, транспорта через клеточную мембрану. Гликопротеины, расположенные на поверхности клеток, ответственны за такие важные процессы, как взаимное распознавание клеток – с их помощью клетки многоклеточного организма устанавливают межклеточные контакты. Они, по-видимому, также служат материалом, склеивающим клетки одного типа между собой. Предполагают также, что от структуры гликопротеинов зависят устойчивость и многие другие свойства клеточной поверхности. Гликозилированные белки обладают резистентностью к протеолизу и поэтому имеют большую длительность жизни. Гликопротеины, находящиеся на поверхности эритроцитов, определяют группу крови.

4.4.1. ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ПОДВИЖНОСТЬ БЕЛКОВ В БИСЛОЕ

Мембраны содержат от 20 до 80% белка (по весу). При этом в разных мембранах количество белков существенно различается.

Так, в мембранах митохондрий на долю белков приходится около 75%, а в плазматической мембране клеток миелиновой оболочки – около 25%. Так как липидные молекулы имеют небольшой размер (5 ) и невысокую молекулярную массу, их число в 50 раз больше числа белковых молекул. Поэтому белковые молекулы как бы вкраплены в липидный бислой мембраны.

Белки различаются по своему положению в мембране (рис. 25).

Молекулы белков могут глубоко проникать в липидный бислой и пронизывать его (интегральные белки), либо прикрепляться к мембране разными способами (периферические белки). Периферические белки отличаются от интегральных меньшей глубиной проникновения в бислой и более слабыми белок-липидными взаимодействиями (то есть меньшей зависимостью от бислоя). Периферические белки могут обратимо менять свой статус, прикрепляясь к мембране на определенное время (такие белки называют амфипатическими). Прикрепляясь к мембране, они взаимодействуют либо с интегральными белками, либо с поверхностными участками липидного бислоя, приобретая новые свойства. Деление мембранных белков на периферические и интегральные определяется их структурой, количеством гидрофобных аминокислот и их расположением в первичной структуре, то есть всеми теми свойствами, которые обеспечивают взаимодействие белка с бислоем. Для амфипатических белков имеются специальные сигналы, стимулирующие их ассоциацию с мембраной (часто таким сигналом является их фосфорилирование специфическими киназами, изменяющее их третичную структуру и гидрофобность, точнее – лиотропность). К таким белкам, например, относят протеинкиназу С, факторы свертывания крови.

Белки, образующие комплексы с интегральными белками (к ним относится ряд пищеварительных ферментов, участвующих в гидролизе крахмала и белков), прикрепляются к интегральным белкам мембран микроворсинок кишечника. Примерами таких комплексов могут быть сахараза-изомальтаза и мальтаза-гликоамилаза. Полярные или заряженные домены белковой молекулы могут взаимодействовать с полярными «головами» липидов, образуя ионные и водородные связи.

Рис. 25. Локализация белков в мембранах Трансмембранные белки: 1 – гликофорин, 2 – рецептор адреналина.

Поверхностные белки: 3 – белки, связанные с интегральными белками (сукцинатдегидрогеназа); 4 – белки, присоединенные к полярным «головкам» липидного слоя (протеинкиназа С); 5 – белки, «заякоренные» в мембране с помощью короткого гидрофобного концевого домена (цитохром b5); 6 – белки «заякоренные» в мембране за счет жирнокислотного радикала, ковалентно присоединенного к белковой молекуле (G-белок).

при изучении аминокислотной последовательности интактной формы микросомного цитохрома b5 (рис. 25).

Этот белок участвует в различных окислительно-восстановительных реакциях в качестве переносчика электронов. Его относительно короткий участок пептидной цепи Рис. 26. Монотопическая (А), битопическая (Б) и полисостоит сплошь из гидрофобтопическая (В) локализация среду.

Локализованный в мембране гидрофобный домен или «якорь»

является еще одним характерным элементом структуры мембранных белков. С помощью такой структуры происходит закрепление периферических белков в мембране.

Согласно классификации, интегральные белки пронизывают липидный бислой. Размер интегральных мембранных белков в среднем составляет 80, но встречаются и более крупные белки – до 350 величиной (белок тилакоидов хлоропластов). Обычно эти белки обладают выраженной асимметрией и, соответственно, асимметрично расположены в мембране (рис. 25).

Некоторые из трансмембранных белков пронизывают мембрану один раз (гликофорин) – битопические, другие имеют несколько участков (доменов), последовательно пересекающих бислой – политопические (рис. 26). Монотопические белки относятся к периферическим белкам (рис. 25).

Рассмотрим битопический белок – гликофорин из мембраны эритроцитов. В его аминокислотной последовательности был обнаружен короткий участок, состоящий из 23 неполярных аминокислот, расположенный примерно в середине цепи. Исследования показали, что молекула гликофорина полностью пронизывает мембрану, причем погруженный в мембрану гидрофобный участок имеет -спиральную структуру.

Примером политопических белков являются транспортные АТФазы, бактериородопсин. Для бактериородопсина из мембраны Halobacterium halobium по данным рентгеноструктурного исследования фотосинтетических реакционных центров бактерий было показано, что его молекула содержит несколько -спиральных участков, последовательно пересекающих бислой (рис. 27).

Многие мембранные белки состоят из двух частей: из участков, богатых полярными аминокислотами, и участков, обогащенных неполярными аминокислотами. Эти белки упакованы в мембранный бислой так, что их неполярные участки контактируют с гидрофобными участками бислоя.

Рис. 27. Интегральные белки мембран, содержащие Анализ аминокислот некоторых мембранных белков показал, что они содержат примерно столько же полярных аминокислот, сколько и обычные водорастворимые белки, тем не менее в воде они растворяются очень плохо. Причина их гидрофобности кроется не в самом аминокислотном составе, а в порядке чередования аминокислотных остатков – гидрофобные аминокислотные радикалы не рассеяны вдоль по полипептидной цепи, а сконцентрированы в гидрофобные домены.

Некоторые мембранные белки увеличивают свою гидрофобность с помощью ковалентной связи с липидными компонентами мембран. Эти белки используют для более прочного контакта с бислоем миристиновую С14:0 или пальмитиновую С16:0 жирные кислоты или гликозилфосфатидилинозитол. Белки, связанные с жирными кислотами, локализованы, в основном, на цитоплазматической поверхности плазматической мембраны, а белки, связанные с гликозилфосфатидилинозитолом – на наружной.

В структуре многих мембранных белков, как правило, четко различаются участки, ответственные за их биологическую активность. Очень часто биологически активный участок состоит преимущественно из полярных аминокислот, тогда как не активные домены построены, главным образом, с участием аминокислот с неполярными радикалами. Поэтому вероятно, что полярная часть мембранного белка контактирует с цитоплазмой и с полярными головами липидов и обеспечивает функциональную активность белка, а неполярная часть связывается с углеводородными цепями липидных молекул и обеспечивает структурную устойчивость молекулы. Однако такое правило не является универсальным. Так, белки, превращающие гидрофобные субстраты (к ним относятся, например, гидроксилазы не растворимых в водной фазе ксенобиотиков) имеют гидрофобные карманы, концентрирующие молекулы субстрата для его ферментативной модификации. Таким образом, мы видим, что мембранные белки обычно связываются с мембраной с помощью нековалентных взаимодействий двух типов: – электростатических (на уровне полярных голов фосфолипидов) и гидрофобных (в толще бислоя).

Рис. 28. Подвижность компонентов биологических мембран I – латеральная подвижность липидов в бислое, II – латеральная подвижность белковых молекул, III – вращательная подвижность, IV – флипфлоп переход липидных молекул.

Белки в бислое весьма лабильны и могут совершать различные виды движений, при этом подвижность белков в бислое и их ассоциация контролируется липидами (рис. 28, I). Некоторые мембранные белки перемещаются вдоль бислоя (рис. 28, II). Например, фосфолипаза А, связываясь цитоплазматической поверхностью мембраны, может латерально перемещаться по поверхности бислоя и гидролизовать несколько тысяч фосфолипидов до тех пор, пока не диссоциирует от мембраны. Латеральная диффузия интегральных белков в мембране ограничена их большими размерами, взаимодействием с другими мембранными белками, а также элементами цитоскелета или внеклеточного матрикса. Однако она также имеет вполне измеримую величину.

Вращательная подвижность белков (рис. 28, III) связана с их вращением вокруг оси, перпендикулярной поверхности бислоя.

Периферические белки оказывают менее значительное воздействие на состояние и подвижность ацильных цепей фосфолипидов. Напротив, интегральные белки сильно ограничивают подвижность аннулярных липидов, которые их непосредственно окружают в мембране. По этой причине аннулярные липиды называют связанными (иммобилизованными). Они по своему поведению и подвижности отличаются от липидов суммарного липидного бислоя. Белковые молекулы ограничивают подвижность примыкающих к их поверхности липидов, и аннулярный слой оказывается более упорядоченным. Количество связанных липидов зависит от насыщенности мембраны белками.

4.4.2. БЕЛОК-ЛИПИДНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Анализ белок-липидных взаимодействий в мембране позволяет выделить контакты 4 основных типов (рис. 29).

Так действуют бактериородопсин, грамицидин (пептидный ионофор, увеличивающий проницаемость мембран для ионов) и многие Рис. 29. Вызванная белком другие интегральные меммодификация бислоя бранные белки.

всю глубину бислоя, вызывают эластическую деформацию одной его стороны. Такое влияние на физико-химические параметры бислоя характеризуется определенным дальнодействием. Именно им определяется облегчение взаимодействия мембранных рецепторов с инсулином и другими гормонами.

3 тип: в результате ярко выраженной гидрофобности белка может происходить резкое изменение градиента кривизны и деформация бислоя, что имеет место в случае взаимодействия с мембраной цитохрома b5.

4 тип: сочетание гидрофильных и гидрофобных свойств белковой молекулы может обеспечить не только проникновение белка через бислой, но и существенное давление на него, приводящее к изменению геометрии бислоя – сжиманию одних частей и уширению других (например, в случае белка эритроцитарных мембран гликофорина).