-связи С=О и локализация его на кислороде с частичным превращением связи С=О в одиночную.
40
Делокализация электронов между атомами N, С, О приводит к тому, что
пептидная группа максимально стабилизируется, когда ее атомы, вклю- чая α-углеродные атомы соседних аминокислот, расположены в одной плос- кости. Поэтому вращение вокруг пептидной связи затруднено в силу ее двой- ного характера. В пептидной цепи имеет место только попарное кооператив- ное взаимодействие при вращении вокруг единичных связей, принадлежащих одному и тому же α-углеродному атому.
Конформационная энергия белка
, включающего многие сотни остат- ков, не может быть найдена из-за больших математических трудностей. В этом случае уже нельзя непосредственно рассчитать вторичную и тем более третичную структуру больших участков белка, зная первичную последова- тельность. Для решения этой проблемы сейчас пользуются эмпирическим методом, который основан на многочисленных экспериментальных данных по корреляции между вторичной структурой участка белка и его первичной аминокислотной последовательностью. На основании этих корреляций сформулированы эвристические принципы пространственного строения бел- ка и правила сворачивания пептидной цепи с образованием вторичной и тре- тичной структур.
Общая топография белковой глобулы определяется тем, что полярные группы расположены в основном на поверхности, а неполярные находятся внутри глобулы и образуют ее гидрофобное ядро. На поверхностях основных элементов вторичной структуры α-спиралей и β-структур также имеются це- лые гидрофобные области. Внутримолекулярные водородные связи между пептидными группами максимально насыщены и стабилизируют глобулу.
Кроме этих топологических принципов существуют еще обширные статистические данные о частотах появления каждого аминокислотного ос- татка из первичной последовательности в α- и β-элементах вторичной струк- туры. С помощью эмпирических правил удается примерно в половине случа- ев предсказать, какова будет вторичная структура белка при заданной пер- вичной последовательности. Различные типы белковых структур составляют структурную иерархию, которая, по-видимому, отражает и последователь- ность стадий сворачивания белка из первичной полипептидной цепи. Уже на самых ранних стадиях сворачивания в развернутой цепи образуются α- или β- участки вторичной структуры за счет локальных взаимодействий. Затем эти участки стабилизируются в результате действия гидрофобных сил, водород- ных связей и объемных взаимодействий с другими участками цепи с образо- ванием уже третичной структуры. Самосборка структуры белка носит на- правленный кооперативный характер. Она протекает через определенное число промежуточных стадий, а не путем перебора всех возможных вариан- тов укладки до достижения минимального по энергии состояния. На такой "статистический" способ сворачивания потребовалось бы время неизмеримо большее, чем реальное время сворачивания белковой глобулы (несколько се- кунд).
Выгодные низкоэнергетические состояния появляются сразу на ранних этапах сворачивания в небольших участках цепи, включающих два-три ос-
41 татка, а средние и дальние взаимодействия их не только не "портят", но ста- билизируют. Эти представления можно использовать для того, чтобы упро- стить метод расчета низкоэнергетической конформации белка. Вместо того чтобы пытаться сразу найти минимальную по энергии конформацию для всей цепи, находят вначале низкоэнергетические состояния дипептидов.
Низкоэнергетические формы трипептидов представляют собой комбинации низкоэнергетических форм смежных дипептидов, что является результатом согласованности три- и дипептидных взаимодействий. Конформационный анализ более сложных олигопептидов проводится методом последовательно- го увеличения цепи на один остаток. Важно, что новые взаимодействия, воз- никающие при удлинении цепи, стабилизируют фрагмент и не нарушают уже сложившихся взаимодействий и низкоэнергетических форм. В настоящее время такой полуэмпирический метод расчета дает возможность определить пространственную структуру достаточно сложных полипептидов, включаю- щих до сотни остатков. Например, была рассчитана структура молекулы бычьего панкреатического трипсинового ингибитора, включающей 58 ами- нокислотных остатков с заданной первичной последовательностью. Однако расчеты более сложных полипептидов потребуют привлечения уже незави- симых стерических предположений о возможной структуре белка.
Состояние воды в биополимерах
Общая топология белковой глобулы определяется гидрофобными взаи- модействиями, которые имеют чисто термодинамическую природу. Непо- лярные углеводороды разрушают ячеистую структуру воды, что приводит к повышению энтропии и, следовательно, к уменьшению свободной энергии системы.
Однако разрушение структуры воды нарушает систему водородных связей между молекулами воды. Вместо водородных связей углеводороды способны образовывать только более слабые ван-дер-ваальсовы связи с во- дой. Гидрофобные взаимодействия в целом стабилизируют макромолекулы, хотя детальная картина взаимодействий с водой в пределах макромолекулы значительно сложнее. Сами молекулы воды распределены в глобуле неодно- родно. Снаружи глобулы имеются локальные полярные центры гидратации, где молекулы воды сильнее связаны по сравнению с тонкой гидратной обо- лочкой на поверхности глобулы. В целом около поверхности белка может удерживаться до 2-3 слоев воды. Кроме того, имеется фракция прочно свя- занной воды, которая фиксируется на соответствующих малоподвижных элементах белковой структуры.
Влияние воды на конформационную энергию пептидов существенно не изменяет положения энергетических минимумов на конформационной карте.
Вода может оказывать сильное влияние на стабильность отдельных конфор- мационных участков и тем самым на внутримолекулярную подвижность бел- ка. Известно, что при увеличении степени гидратации высушенных препара- тов ферментов увеличение их активности происходит резко в узком диапазо- не увеличения числа молекул воды (10-20) на одну молекулу белка. В этой области происходит растормаживание определенных внутримолекулярных
42 степеней свободы, нужных для обеспечения ферментативной активности.
Можно рассматривать систему белок-вода как единую кооперативную сис- тему, где изменения в состоянии, как растворителя, так и белка носят взаи- мосвязанный характер.
Уникальность структуры белка
Белок обладает определенной плотной структурой, которая образуется из первичной аминокислотной последовательности в результате согласован- ного характера ближних и дальних взаимодействий. В этом смысле структура белка уникальна.
Известно, что белки, выполняющие одинаковые функции в разных ор- ганизмах, отличаются по своей первичной последовательности (например, цитохромы). Однако третичные структуры у них сходны. Но есть белки, об- ладающие сходными третичными структурами, но выполняющие различные функции. Оказалось также, что способностью формировать α- и β-участки с непрерывными гидрофобными поверхностями обладают не только природ- ные, но и случайные аминокислотные последовательности полярных и непо- лярных групп. Таким образом, для получения плотной упаковки белка нет необходимости абсолютно однозначно задавать его первичную последова- тельность, хотя функциональные свойства белка определяются сравнительно небольшим числом активных групп. И здесь уже ситуация совершенно иная.
В активном центре белка (фермента), где имеются, как правило, 5-6 остатков, нельзя заменить ни одного из них без нарушения функциональных свойств.
Поэтому комбинация незаменимых остатков в активном центре белка должна воспроизводиться совершенно однозначно при обязательном сохранении лишь общих топографических черт глобулярной пространственной структу- ры. Создание емкой информационной системы белка не может произойти в один акт, а осуществляется постепенно с обязательным закреплением синте- зированных элементов структуры в процессах воспроизведения.
Особенности пространственной организации нуклеиновых кислот.
В отличие от белков структура ДНК более стабильна. Тепловые флуктуации не приводят к разрыву водородных связей и не меняют межплоскостные рас- стояния между основаниями. В моделях жесткость служит основным пара- метром. Двойная спираль ДНК обладает общей жесткостью по длине спира- ли и одновременно ограниченным числом вращательных степеней свободы вокруг единичных химических связей. Все конформации ДНК относятся ли- бо к А-, либо к В-формам. В случае В-форм ось спирали проходит через пары оснований вблизи их центра тяжести, а в А-форме в центре остается отвер- стие, а основания оттеснены к периферии молекулы. Основная трудность полного описания энергетически разрешенных конформаций двойных спира- лей состоит в чрезвычайно большом наборе всех структурных вариантов.
Конформация мономера нуклеиновой кислоты задается конформацией сахарного кольца, пятью двугранными углами вращения вокруг единичных связей в сахарофосфатной цепи и одним углом x, определяющим ориентацию основания относительно сахарного кольца. Различие А- и В-форм состоит в том, что у А-формы отличаются значения угла х и угла поворота τ между со-
43 седними парами, а также большие значения расстояния
D пары от оси спира- ли. Кроме того, альтернативная геометрия сахарного кольца у А- и В-форм определяется тем, какой из атомов углерода выдвинут из плоскости сахарно- го кольца. Наличие столь большого числа внутренних степеней свободы по- зволяет рассматривать процесс изменения конформации двойной спирали как непрерывный. Однако можно ограничиться лишь "разумными" взаимополо- жениями пар оснований. Тогда оказывается, что для регулярной спирали су- ществует только ограниченное число конформации сахаро-фосфатного осто- ва. Расчеты показывают, что энергия А-форм в целом выше, а ширина энер- гетической ямы уже, чем у В-форм. Это является следствием того, что рас- стояние между одноименно заряженными фосфатами одной и той же цепи короче в А-формах. Полный учет всех взаимодействий показывает, что В- форма является единственной устойчивой формой ДНК. Получены данные о существовании так называемой z-формы ДНК, в которой спираль с антипа- раллельными нитями закручена влево, а повторяющаяся единица содержит не один, а два нуклеотида
Механизмы ферментативного катализа
Ферменты играют ключевую роль в метаболизме. Они ускоряют реак- ции, увеличивая их константы скоростей. Рассмотрим энергетический про- филь обычной реакции, проходящей в растворе по механизму столкновений
А+В —>Р. Образование продукта Рпроисходит, если энергия сталкиваю- щихся молекул исходных веществ А и Впревышает величину энергетическо- го барьера. Очевидно, можно ускорить эту реакцию, если каким-то образом уменьшить величину энергии активации.
Общая схема ферментативной реакции, включает, как мы знаем, обра- зование единого фермент-субстратного комплекса, в активном центре кото- рого и происходит разрыв старых и образование новых связей с появлением продукта. В различных теоретических моделях механизма действия фермен- тов предлагаются разные способы понижения барьера реакции в фермент- субстратном комплексе. В результате фиксации субстрата на ферменте про- исходит некоторое снижение энтропии реагентов по сравнению с их свобод- ным состоянием. Само по себе это облегчает дальнейшие химические взаи- модействия между активными группами в фермент-субстратном комплексе, которые должны быть взаимно строго ориентированы. Предполагается так- же, что избыток энергии сорбции, который выделяется при связывании суб- страта, не переходит полностью в тепло. Энергия сорбции может быть час- тично запасена в белковой части фермента, затем сконцентрироваться на ата- куемой связи в области образовавшихся фермент-субстратных контактов.
Таким образом, постулируется, что энергия сорбции идет на создание низко- энтропийной энергетически напряженной конформации в фермент- субстратном комплексе и тем самым способствует ускорению реакции. Од- нако экспериментальные
попытки обнаружить упругие деформации, которые могли бы храниться в белковой глобуле фермента, не диссипируя в тепло в течение достаточно длительного времени между каталитическими актами, не увенчались успехом. Более того, нужная для катализа взаимная ориентация и
44 сближение расщепляемой связи субстрата и активных групп в центре фер- мента происходят спонтанно, вследствие внутримолекулярной подвижности разных, в том числе и активных, групп фермента и субстрата. Такое сближе- ние не требует образования каких-либо энергетически неблагоприятных кон- тактов. Этот вывод следует из анализа невалентных взаимодействий в актив- ных центрах ряда ферментов (химотрипсин, лизоцим, рибонуклеаза, карбок- сипептидаза). Таким образом, сама по себе напряженность конформации в фермент-субстратном комплексе не является необходимым источником энер- гии и движущей силой катализа.
В других моделях высказывается предположение о том, что в белковой глобуле происходит бездиссипативная передача энергии тепловых колебаний от наружных слоев белка к атакуемой связи в активном центре. Однако ника- ких серьезных доказательств этому нет, кроме утверждения, что фермент должен быть "устроен" так, что его структура обеспечивает когерентный ха- рактер распространения флуктуационных изменений конформации без теп- ловых потерь по определенным степеням свободы. Помимо отсутствия экс- периментальных доказательств общим недостатком этих моделей является то, что в них не учитывается в явном виде важный фактор – спонтанная внутримолекулярная подвижность белка. Шаг вперед в этом отношении сде- лан в конформационно-релаксационной концепции ферментативного катали- за. В ней появление продукта рассматривается как результат последователь- ных конформационных изменений в фермент-субстратном комплексе, инду- цированных первоначальными изменениями электронного состояния в ак- тивном центре фермента. Вначале, в течение короткого времени, происходят электронно-колебательные взаимодействия, затрагивающие только выделен- ные химические связи субстрата и функциональные группы фермента, но не остальную часть белковой глобулы.
Вследствие этого создается конформационно-неравновесное состояние, которое релаксирует к новому равновесию с образованием продукта. Про- цесс релаксации происходит медленно и носит направленный характер, включая стадии отщепления продукта и релаксации свободной молекулы фермента к исходному равновесному состоянию. Координата ферментатив- ной реакции совпадает с координатой конформационной релаксации. Темпе- ратура же влияет на конформационную подвижность, а не на число активных соударений свободных молекул реагентов, что просто не имеет места в уже сформированном фермент-субстратном комплексе. Вследствие больших раз- личий в скоростях мы можем рассматривать отдельно быстрые электронные взаимодействия в активном центре, осуществляющиеся на коротких расстоя- ниях, и более медленные конформационно-динамические изменения в белко- вой части. На первом этапе катализа стохастический характер динамики бел- ковой глобулы фермента и диффузии субстрата к активному центру приводят к образованию строго определенной конфигурации, включающей функцио- нальные группы фермента и химические связи субстрата. Например, в случае гидролиза пептидной связи для реакции необходима одновременная атака
45 субстрата двумя группами активного центра – нуклеофильной и электро- фильной.
При возникновении определенной конфигурации происходит химиче- ский акт катализа. Формально это соответствует одновременному соударе- нию нескольких молекул, что в растворе крайне мало вероятно.
Возникает вопрос: какова вероятность спонтанного формирования та- кого рода реакционноспособной конфигурации в плотно структурированной среде за счет
конформационных флуктуаций нескольких групп, происходя- щих по законам ограниченной диффузии?
Расчеты показывают, что существует вполне определенная вероятность одновременного попадания нескольких групп в "реакционную" область оп- ределенного радиуса, где они оказываются сближенными на короткие рас- стояния. Эта вероятность зависит главным образом от коэффициента диффу- зии и числа степеней свободы функциональных групп, "ищущих" друг друга в ограниченном пространстве. Например, при гидролизе пептидной связи не- обходимо создать благоприятную ориентацию для двух групп активного цен- тра относительно определенных участков субстрата. Каждая из групп обла- дает тремя степенями свободы, а с учетом вибраций молекулы субстрата об- щее число степеней свободы достигает 6-7. Это, в общем, типично для фер- ментативных процессов. Оказывается, что в обычных условиях среднее вре- мя образования такой активной конфигурации совпадает со временами обо- рота фермента в условиях субстратного насыщения. В растворе для анало- гичной реакции это время намного больше даже при больших коэффициен- тах диффузии. Причина состоит в том, что, попав в ограниченную область в плотноструктурированной среде, функциональные группы "находят" друг друга и сближаются на короткие расстояния раньше, чем они "разбегутся" в разные стороны, как это происходит в растворе. Увеличение числа функцио- нальных групп и необходимых одновременных контактов между ними уве- личивает время достижения многоцентровой активной конфигурации. Общая скорость ферментативного катализа определяется именно временем образо- вания нужной конформации при спонтанном сближении соответствующих групп в активном центре. Последующие за этим электронные взаимодейст- вия происходят гораздо скорее и не лимитируют общую скорость катализа.
Существует ряд особенностей ферментов, облегчающих превращение субстрата в активном центре. Как правило, микросреда активного центра с его аминокислотными остатками более гидрофобна, чем окружающая водная среда. Это снижает значение диэлектрической постоянной активного центра по сравнению с водой и усиливает электростатические взаимодействия в гидрофобной среде между субстратом и полярными группами фермента.
Кроме того, малополярная по сравнению с водой белковая среда частично экранирует переносимые заряды от действия полярного растворителя. Высо- кая же локальная концентрация диполей пептидных связей создает в актив- ном центре электрические поля напряженностью порядка тысяч и сотен ты- сяч В/см. Таким образом, ориентированные полярные группы создают внут-
46 риглобулярное электрическое поле, влияющее на кулоновские взаимодейст- вия в активном центре.
Механизмы самих электронных переходов в активной конфигурации требуют для своей расшифровки привлечения методов квантовой химии. Пе- рекрывание электронных орбиталей может привести к перераспределению электронной плотности, появлению дополнительного заряда на разрыхляю- щей орбитали атакуемой связи в субстрате и ее ослаблению. Именно это и происходит при гидролизе пептидной связи в тетраэдрическом комплексе.
В ферментативном катализе многостадийный характер превращений субстрата, маловероятный в растворе, обеспечивается за счет синхронного кооперативного их протекания в единой полифункциональной системе. За- мена малоэффективных последовательных активационных стадий скоорди- нированным процессом приводит формально к снижению энергии активации всей реакции. Заметим еще раз, что, строго говоря, физический смысл поня- тия «энергия активации» в ферментативных процессах не соответствует та- ковому для реакций в растворах, идущих по механизму активных столкнове- ний свободных молекул.
47
Лекция 6. СРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ
МЕМБРАН
Биологическими мембранами называют функциональные структуры кле- ток толщиной в несколько молекулярных слоев, ограничивающие цитоплазму и большинство внутриклеточных структур, а также образующие единую внутри- клеточную систему канальцев, складок и замкнутых полостей. Толщина биоло- гических мембран редко превышает 10 нм, однако вследствие сравнительно плотной упаковки в них основных молекулярных компонентов (белки и липи- ды), а также большой общей площади клеточных мембран они составляют обычно более половины массы сухих клеток.
Биологические мембраны построены в основном из белков, липидов и углеводов. Белки и липиды составляют основную часть сухой массы мембран.
Доля углеводов обычно не превышает 10-15%, причем они связаны либо с мо- лекулами белка (гликопротеины), либо с молекулами липидов (гликолипиды). В мембранах различного происхождения содержание липидов колеблется от 25 до
75% по массе по отношению к белку.
В состав биологических мембран: входят липиды, относящиеся главным образом к трем основным классам: глицерофосфатиды (фосфолипиды), сфин- го- и гликолипиды, а также стероиды.
Мембранные липиды имеют сравнительно небольшую полярную (заря- женную) головку и длинные незаряженные (неполярные) углеводородные цепи.
Полярные головки глицерофосфатидов – фосфатидилхолин, фосфатидилэтано- ламин и сфингомиелин – несут положительный и отрицательный заряд и при нейтральных рН в целом электронейтральны (цвиттерионные липиды). Фосфа- тидилсерин и фосфатидилинозит имеют по одному, а кардиолипин – два не- компенсированных отрицательных заряда.
Жирные кислоты, входящие в состав липидов биологических мембран, обычно имеют от 14 до 22 углеродных атомов. Углеводородные цепи могут быть полностью насыщенными либо содержать 1-6 ненасыщенных двойных связей.
Двойные связи практически всех жирных кислот находятся в цис-конформации.
В
природных фосфолипидах жирные кислоты, имеющие ненасыщенные связи, обнаруживаются, как правило, во 2-м положении глицеринового остатка. Мно- гочисленные экспериментальные данные указывают, что в природных мембра- нах липидный состав внутреннего и наружного слоев может различаться по ка- чественному и жирнокислотному составу.
Белковый состав мембран также исключительно многообразен. Боль- шинство мембран, за редким исключением, содержит большое число различных белков, молекулярная масса которых колеблется от 10 000 до 240000.
В зависимости от степени гидрофобности, числа и локализации гидро- фобных аминокислотных остатков в полипептидной цепи белки либо частично, либо целиком погружены в липидный слой мембран или пронизывают его на- сквозь. Наиболее слабо связаны с мембраной так называемые периферические белки, которые удерживаются в мембране за счет слабых, в основном неэлек- тростатических, взаимодействий. Белки, сильно связанные с липидами мембран и глубоко погруженные в липидный слой мембран, так называемые интеграль-
48 ные белки, составляют основную массу мембранных белков. Обычно полипеп- тидные цепи этих белков включают большое число неполярных аминокислот- ных остатков.
В функциональном отношении мембранные белки подразделяются на ферментативные, транспортные и регуляторные. Выделяют также структурные белки, которые выполняют в основном «опорно-строительные» функции.
Важным структурным компонентом мембран является вода. Особенности взаимодействия основных молекулярных компонентов мембран с водой опреде- ляют не только многие структурно-функциональные свойства мембран, но и яв- ляются решающими в процессе формирования самих мембран и стабилизации мембранных систем. Воду, входящую в состав мембран, подразделяют на свя- занную, свободную и захваченную. Наименьшей подвижностью отличается так называемая внутренняя связанная вода, присутствующая в виде одиночных мо- лекул в углеводородной зоне мембран. Эта фракция воды, по данным ЯМР- спектроскопии, характеризуется временем корреляции τ
с
10
-7
с. Основная часть связанной воды – вода гидратных оболочек. Подвижность этой воды в мембранах выше, что приводит к меньшим значениям: τ
с
≤ (8-10)
-10
с. Гидрат- ные оболочки образуются главным образом вокруг полярных частей молекул липидов и белков. Гидратные оболочки основных структурообразующих ли- пидов состоят обычно из 10-12 молекул воды. Эта вода осмотически неактивна, она не способна растворять какие-либо вещества.
Слабосвязанная вода по подвижности и некоторым другим свойствам за- нимает промежуточное положение между водой гидратных оболочек и жидкой свободной водой.
Свободная вода входит в состав мембран в виде самостоятельной фазы и обладает изотропным движением, характерным для жидкой воды. Захваченная вода, обнаруживаемая иногда в центральной части мембран между липидными бислоями, по параметрам подвижности
соответствует жидкой свободной воде, но медленно обменивается с внешней водой из-за физической разобщенности.
Основные функции биологических мембран
1. Барьерная – обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой.
2. Матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодейст- вие.
3. Механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки и внутриклеточных структур.
4. Энергетическая – синтез АТФ.
5. Генерация и проведение биопотенциалов.
6. Рецепторная.
7. Формирование и разделение содержимого клетки на отсеки.
8. Транспорт ионов.
9. Репликация прокариотической ДНК.
10. Биосинтез белков и их секреция.
В клетке биологические мембраны формируют следующие структуры:
49 а) плазматическая мембрана – плотные контакты, щелевые контакты, десмосомы; б) ядерная мембрана; в) эндоплазматический ретикулум (ЭПР) – шероховатый (биосинтез бел- ков), гладкий (биосинтез стеролов, детоксикация, десатурация жирных кислот); г) Аппарат Гольджи – посттрансляционная модификация гликопротеи- нов, синтезированных в ЭПР и предназначенных для секреции, включения в плазматическую мембрану или доставки в лизосомы; д) лизосомы; е) пероксисомы – содержат окислительные ферменты, участвующие в деградации малых молекул (аминокислоты, ксантин, жирные кислоты); ж) митохондрии – окислительное фосфорилирование; з) хлоропласты – фотосинтетический аппарат.
Структура биологических мембран
Первая модель биологической мембраны была предложена в 1902 году.
Было замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, следовательно, биологические мембраны состоят из тонкого слоя фософолипидов.
В 1925 году Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в 2 раза больше суммарной площа- ди эритроцитов. Была высказана идея, что липиды в мембране располагаются в виде молекулярного бислоя.
В 1935 г. Ф. Даниэлли и Г. Доусон выдвинули первую гипотезу о строе- нии биологических мембран, согласно которой мембрана состоит из двойного липидного слоя, покрытого с двух сторон слоями глобулярных белков.
В 1935 году Коул и Кертис определили электрические параметры биоло- гических мембран: высокое электрическое сопротивление (10 7
Ом·м
2
) и боль- шая электрическая емкость (0,5·10
-2
Ф/м
2
).
В 50-х годах XX в. методом электронной микроскопии были получены снимки мембран в виде трехслойных структур толщиной около 10 нм для плазматических и несколько меньшей – для субклеточных мембран. В 1964 г.
Дж.Робертсон предложил унитарную схему асимметричного строения мем- браны. В соответствии с этой схемой белки могут разворачиваться на поверх- ности двойного липидного слоя под действием сил электростатического взаи- модействия с заряженными головками фосфолипидов мембран; на наружной поверхности мембраны располагаются еще и молекулы гликопротеинов. Однако под влиянием новых фактов, и в первую очередь обнаружения зернистой струк- туры мембран, которая просматривалась на снимках,
полученных при большом увеличении, первоначальные представления о трехслойности мембран были пе- ресмотрены.
В настоящее время считают, что белки не выстилают поверхность ли- пидного слоя, мембран, а «плавают» на поверхности в виде отдельных глобу- лярных молекул или частиц, в большей, или меньшей степени погруженных в мембрану. Эта жидкомозаичная модель, предложенная Дж. Ленардом и С. Син- гером (1966), позволяет удовлетворительно объяснить целый ряд фактов, в ча-
50 стности зависимость многих физиологических функций мембран и активности отдельных мембранных ферментов от фазового состояния липидов в мембра- не, ее текучести (вязкость). Более поздняя белково-кристаллическая модель (G.
Vanderkooi, D. Green, 1970) отличается от жидкомозаичной модели фактически лишь постулированием существовании в мембране жесткой белковой структу- ры, возникающей в результате дальнодействующих белок-белковых связей.
В настоящее время получили наибольшее распространение различные ва- рианты жидкомозаичной модели.
Характер взаимодействия полярных и неполярных групп белка и липид- ного бислоя приводит к тому, что пептид должен быть расположен так, чтобы максимально возможное количество неполярных аминокислотных остатков было погружено в бислой. Это очевидное требование определяет характер трех основных типов белок-мембранных комплексов, которые включают β- складчатые и α-спиральные структуры с различным соотношением полярных и неполярных групп. Предполагается, что амфифильные (β-складчатые структу- ры (тип 1))сворачиваются с образованием пор для пассивной диффузии ве- ществ через мембраны. Внутри такой поры расположены полярные, а наружи в контакте с бислоем – неполярные группы.
Пептидные гормоны могут образовывать комплексы (тип 2)с мембрана- ми. Структуры типа 3характерны для интегральных мембранных белков, про- низывающих мембраны своими α-спиралями.
В целом, биологическую мембрану можно рассматривать как электриче- ский конденсатор, в котором пластинами являются электролиты внеклеточного раствора и цитоплазмы с погруженными в них головками липидных молекул.
Проводники разделены диэлектрическим слоем, образованным неполярной ча- стью липидных молекул – двойным слоем их хвостов. Липиды – диэлектрики с диэлектрической проницаемостью ε ≈ 2.
Емкость плоского конденсатора –
Скачать 1.18 Mb.