Молекулярная биология клетки. Том 1. Молекулярная биология клетки 2Molecular Bruce Alberts, Dennis Bray,Biology
 Скачать 25.6 Mb.
|
|
379 поверхности большинства эукариотических клеток. При использовании меченых лектинов или различных красителей, например рутениевого красного, эта зона отчетливо видна на электронных микрофотографиях (рис. 6-39). Хотя углеводы главным образом присоединены к молекулам, входящим в состав плазматической мембраны, гликокаликс может также содержать гликопротеины и протеогликаны, которые секретируются клетками и затем адсорбируются на клеточной поверхности (рис. 6-40). Некоторые из этих адсорбированных макромолекул являются компонентами внеклеточного матрикса. Так что вопрос о том, где кончается плазматическая мембрана и начинается внеклеточный матрикс, можно считать чисто семантическим. Ясно, что высокая концентрация углеводов на клеточной поверхности должна оказывать существенное влияние на многие функции плазматической мембраны. Однако природа этого влияния еще не понята. Структурная сложность некоторых олигосахаридов, а также то, что углеводы располагаются только на поверхности клетки, свидетельствуют о важной роли углеводов в процессах межклеточного узнавания и узнавания между клеткой и матриксом. Для некоторых случаев существуют веские доказательства этой роли (см. разд. 15.4.2 и 15.4.9), однако гораздо чаще такие функции углеводов клеточной поверхности однозначно доказать очень трудно. Заключение В плазматических мембранах всех эукариотических клеток большинство белков, расположенных на поверхности клетки, а также некоторые липидные молекулы наружного липидного монослоя ковалентно связаны с олигосахаридными цепями. Некоторые плазматические мембраны содержат молекулы интегральных протеогликанов, в которых несколько полисахаридных цепей ковалентно сшиты с трансмембранным белком или связанным с липидами коровым белком. Хотя функция углеводов клеточной поверхности пока непонятна, представляется вероятным, что по крайней мере некоторые из них принимают участие в процессах межклеточного узнавания и узнавания между клеткой и матриксом. 6.4. Перенос малых молекул через мембрану [19] Поскольку внутренняя часть липидного бислоя гидрофобна, он представляет собой практически непроницаемый барьер для большинства полярных молекул. Благодаря такому барьеру предотвращается утечка водорастворимого содержимого клеток. Однако из-за наличия подобного барьера клетки оказались вынужденными создать специальные пути для переноса водорастворимых молекул через свои мембраны. Клетки должны получать необходимые питательные вещества и выделять вредные продукты метаболизма. Кроме того, клеткам надо регулировать внутриклеточные концентрации ионов, что подразумевает возможность транспорта определенных ионов в клетку или из клетки. Перенос малых водорастворимых молекул через липидный бислой осуществляется с помощью особых трансмембранных белков, каждый из которых отвечает за транспортировку определенной молекулы или группы родственных молекул. В клетках существуют также способы переноса через плазматические мембраны макромолекул, таких, как белки, и даже крупных частиц. Однако соответствующие механизмы сильно отличаются от механизмов транспорта малых молекул и потому будут обсуждаться в другом разделе (см. разд. 6.5). Из данного раздела мы узнаем, что избирательная проницаемость 380 Таблица 6-3. Сравнение концентраций ионов внутри и снаружи типичной животной клетки Компонент Внутриклеточная концентрация (мМ) Внеклеточная концентрация (мМ) Катионы Na + 5-15 145 К + 140 5 Mg 2+ 0,5 1-2 Са 2+ 10 -4 1-2 Н + 8 х 10 -5 (10 -7,1 М или рН 7,1) 4 х 10 -5 (10 -7,4 М или рН 7,4) Анионы 1) Cl - 5-15 110 1) Поскольку клетки должны содержать равное число положительных и отрицательных зарядов (чтобы быть электрически нейтральными) значительный дефицит внутриклеточных анионов отражает тот факт, что большую часть клеточного содержимого составляют отрицательно заряженные молекулы (НСО 3 - , РО 3- , белки, нуклеиновые кислоты, метаболиты, несущие фосфатные или карбоксильные группы и т.п.). Концентрации Са 2+ и Mg 2+ даны для свободных ионов. В клетках имеется около 20 мМ Мд 2+ и 1-2 мМ Са 2+ , но они в основном связаны белками и другими веществами, и в случае Са 2+ хранятся внутри различных органелл. плазматической мембраны в сочетании с активным транспортом через нее создают значительные различия в ионном составе цитозоля и внеклеточной жидкости (табл. 6-3). Это позволяет клеточным мембранам запасать потенциальную энергию в виде градиентов концентраций ионов. Трансмембранные ионные градиенты используются для осуществления различных транспортных процессов, для передачи электрических сигналов и при синтезе АТР в митохондриях, хлоропластах и бактериях. Перед тем как приступить к обсуждению свойств транспортных белков и ионных градиентов, создаваемых некоторыми из этих белков, необходимо кое-что узнать о проницаемости синтетического липидного бислоя, не содержащего белков. 6.4.1. Липидные бислои, не содержащие белков, непроницаемы для ионов, но свободно пропускают воду [19] В принципе любая молекула за достаточно длительное время пройдет за счет диффузии через лишенный белков липидный бислой по градиенту концентрации. Однако скорости, с которыми различные молекулы диффундируют через такой бислой, очень сильно варьируют в зависимости главным образом от размера молекулы и ее относительной растворимости в жирах. В общем случае, чем меньше молекула и чем более она «жирорастворима» (т. е. более гидрофобна, или неполярна), тем быстрее она будет диффундировать через бислой. Малые неполярные молекулы, такие, как О 2 , легко растворяются в липидных бислоях и вследствие этого быстро диффундируют через них. Незаряженные полярные молекулы также диффундируют с большой скоростью, если они достаточно малы. Например, СО 2 (44 Да), этанол (46 Да) и мочевина (60 Да) проходят через бислой быстро, глицерол (92 Да) - медленнее, а глюкоза (180 Да) едва ли вообще способна пройти сквозь бислой (рис. 6-41). Весьма важно то, что вода (18 Да) диффундирует через липидный бислой очень быстро, несмотря на то что молекулы воды относительно нерастворимы в жирах. Это обусловлено тем, что ее молекулы малы и незаряжены. Рис. 6-41. Относительная проницаемость синтетического липидного бислоя для различных классов молекул. Чем меньше молекула и, что более важно, чем меньше она образует водородных связей, тем быстрее она диффундирует через мембрану. 381 Рис. 6-42. Коэффициенты проницаемости (см/с) синтетического липидного бислоя для различных молекул. Скорость потока растворенных молекул через бислой прямо пропорциональна разнице концентраций вещества на двух сторонах мембраны. Умножив разность концентраций (моль/см 3 ) на коэффициент проницаемости (см/с), получают поток растворенного вещества в молях за секунду через квадратный сантиметр мембраны. Например, разность концентраций триптофана 10 -4 моль/см 3 (10 -4 / 10 -3 л = 0,1 М) будет обеспечивать поток 10 -4 моль/см 3 х 10 -7 см/с = 10 -11 моль/с через 1 см 2 мембраны, или 6 х 10 4 молекул/с через 1 мкм 2 мембраны. Напротив, для всех заряженных молекул (ионов) независимо от их размеров липидные бислой оказываются в значительной степени непроницаемыми: заряд и высокая степень гидратации таких молекул препятствуют их проникновению через углеводородный участок бислоя. Вот почему искусственные бислой в 10 9 раз более проницаемы для воды, чем даже для таких небольших ионов, как Na + или К + (рис. 6-42). 6-19 6.4.2. Мембранные транспортные белки могут работать как переносчики или каналы [19] Клеточные мембраны, так же как и искусственные липидные бислои, способны пропускать воду и неполярные молекулы за счет простой физической диффузии. Однако клеточные мембраны проницаемы и для различных полярных молекул, таких, как сахара, аминокислоты, нуклеотиды и многие другие метаболиты, которые проходят через синтетические бислои чрезвычайно медленно. За перенос подобных растворенных веществ через клеточные мембраны ответственны специфические белки, называемые мембранными транспортными белками. Они обнаруживаются во всех типах биологических мембран и могут сильно отличаться друг от друга. Каждый конкретный белок предназначен для определенного класса молекул (например, неорганических ионов, Сахаров или аминокислот), а нередко лишь какой-то разновидности молекул из этих классов. Специфичность транспортных белков была впервые показана, когда обнаружилось, что мутации в одном-единственном гене приводят к исчезновению у бактерий способности транспортировать определенные сахара через плазматическую мембрану. Аналогичные мутации теперь известны и у людей, страдающих различными наследственными болезнями, при которых нарушается транспорт тех или иных веществ в почках или кишечнике. Например, у индивидуумов с наследственной болезнью цистинурией отсутствует способность транспортировать определенные аминокислоты (включая цистин - связанный дисульфидной связью димер цистеина) из мочи или кишечника в кровь. В результате происходит накопление цистина в моче, что приводит к образованию цистиновых «камней» в почках. Все мембранные транспортные белки, изученные настолько детально, что их расположение в мембране точно установлено, оказались трансмембранными белками, полипептидная цепь которых пересекает липидный бислой несколько раз. Эти белки обеспечивают перенос специфических веществ через мембрану без непосредственного контакта с гидрофобной внутренностью липидного бислоя, формируя в нем сквозные проходы. Существуют два основных класса мембранных транспортных белков: белки-переносчики и каналообразующие белки. Белки- переносчики (называемые также переносчиками или транспортерами) связывают молекулу переносимого вещества, что приводит к их конформационным изменениям и как результат к переносу этой молекулы через мембрану. Напротив, каналообразующие белки (или белки-каналы) формируют заполненные водой поры, пронизывающие липидный бислой. Когда эти поры открыты, молекулы специфических веществ (обычно неорганические ионы подходящего размера и заряда) проходят сквозь них и, следовательно, через мембрану (рис. 6-43). 382 Рис. 6-43. Упрощенное схематическое изображение двух классов мембранных транспортных белков. А. Белок-переносчик может попеременно существовать в двух конформациях, так что участок связывания определенного вещества последовательно доступен то с одной, то с другой стороны бислоя. Б. Каналообразующий белок формирует в липидном бислое заполненные водой поры, через которые могут диффундировать специфические ионы. 6.4.3. Активный транспорт осуществляется белками-переносчиками, связанными с источником энергии [21] Все каналообразующие белки и многие белки-переносчики позволяют растворенным веществам проходить через мембраны только пассивно («с горки»). Этот процесс называется пассивным транспортом (или облегченной диффузией). Если молекула транспортируемого вещества не имеет заряда, то направление пассивного транспорта определяется только разностью концентраций этого вещества по обеим сторонам мембраны (градиентом концентрации). Однако если молекула заряжена, то на ее транспорт влияют как градиент концентрации, так и разница электрических потенциалов на сторонах мембраны (мембранный потенциал). Вместе концентрационный и электрический градиенты составляют электрохимический градиент. Фактически в любой плазматической мембране есть градиент электрического поля. При этом внутренняя сторона мембраны обычно заряжена отрицательно по отношению к наружной (см. разд. 6.4.15). Такой потенциал облегчает проникновение в клетку положительно заряженных ионов, но препятствует прохождению внутрь ионов, заряженных отрицательно. Клеткам также необходимы транспортные белки, активно перекачивающие определенные растворенные вещества против их электрохимических градиентов («в горку»). Этот процесс, известный под названием активного транспорта, всегда осуществляется белками- переносчиками. Как будет рассмотрено ниже, при активном транспорте перекачивающая активность переносчиков является направленной, поскольку она тесно связана с источником метаболической энергии, таким, как гидролиз АТР или градиент ионов. Таким образом, транспорт, осуществляемый белками-переносчиками, может быть как активным, так и пассивным, в то время как транспорт через каналы является всегда пассивным (рис. 6-44). Рис. 6-44. Схематическое изображение пассивного транспорта молекул по электрохимическому градиенту и активного транспорта против. Простая диффузия и пассивный транспорт, осуществляемый транспортными белками (облегченная диффузия) протекают самопроизвольно. Для активного транспорта необходимо использовать метаболическую энергию. Только неполярные и маленькие незаряженные полярные молекулы могут проходить через липидный бислой путем простой диффузии. Перенос других полярных молекул осуществляется со значительными скоростями белками-переносчиками или каналообразующими белками. 383 Рис. 6-45. Кинетика простой диффузии и кинетика диффузии при участии белка-переносчика. В первом случае скорость всегда пропорциональна концентрации транспортируемого вещества, а во втором скорость достигает максимального значения V mах при насыщении белков-переносчиков. Концентрация, при которой скорость составляет половину максимального значения, принимается равной константе связывания К м молекул транспортируемого вещества данным переносчиком (аналогично К м для системы фермент-субстрат). 6-20 6.4.4. Белки-переносчики действуют как связанные с мембраной ферменты [19] Процесс, с помощью которого белки-переносчики специфически связывают и транспортируют растворенные молекулы через липидный бислой, напоминает ферментативную реакцию, а транспортные белки выступают как особые, связанные с мембраной, ферменты. В белках- переносчиках всех типов имеются участки связывания для транспортируемой молекулы (субстрата). Когда белок насыщен (т. е. когда все участки связывания заняты), скорость транспорта максимальна. Эта скорость, обозначаемая V max , является характеристикой данного белка-переносчика. Кроме того, каждый белок-переносчик имеет характерную для него константу связывания К м , равную концентрации транспортируемого вещества, при которой скорость транспорта составляет половину ее максимальной величины (рис. 6-45). Связывание растворенного вещества может быть специфически блокировано как конкурентными ингибиторами (конкурирующими за тот же участок связывания), так и неконкурентными ингибиторами (связывающимися где-нибудь в другом месте и специфически влияющими на структуру переносчика). Однако в данном случае аналогия с реакцией фермент-субстрат неполная, поскольку транспортируемые вещества обычно не модифицируются ковалентнo белками- переносчиками. Некоторые транспортные белки просто переносят какое-либо растворенное вещество с одной стороны мембраны на другую. Такой простой перенос называется унипортом. Другие белки функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворенного вещества зависит от одновременного или последовательного переноса другого вещества либо в том же направлении (симпорт), либо в противоположном (антипорт) (рис. 6-46). Например, большинство животных клеток поглощают глюкозу из внеклеточной жидкости, где ее концентрация относительно высока, путем пассивного транспорта, осуществляемого специфическими переносчиками глюкозы, работающими как унипорты. Напротив, клетки кишечника и почек поглощают глюкозу из люменального пространства кишечника и почечных канальцев, где концентрация этого сахара мала. В данном случае имеет место симпорт глюкозы и ионов Na + , внеклеточная концентрация которых очень высока. Как уже обсуждалось раньше, переносчик анионов (белок полосы 3) в эритроцитах человека работает по механизму антипорта при обмене Сl - на НСО 3 - Молекулярный механизм работы белков-переносчиков пока неизвестен. Предполагается, что они переносят растворенные вещества через бислой, претерпевая обратимые конформационные изменения, которые Рис. 6-46 . Схема работы белков-переносчиков, функционирующих по принципу унипорта, симпорта и антипорта. 384 Рис. 6-47. Гипотетическая модель, показывающая как конформационные изменения в белке-переносчике могли бы обеспечить облегченную диффузию растворенного вещества А. Белок-переносчик может существовать в двух конформационных состояниях: в состоянии «понг» участки связывания для А открыты с наружной стороны бислоя; в состоянии «пинг» те же участки оказываются открытыми с другой стороны. Переход между двумя состояниями осуществляется случайным образом и полностью обратим. Поэтому при более высокой концентрации А с наружной стороны бислоя с белком-переносчиком будет связываться большее число молекул А в состоянии «понг», что приведет к транспорту вещества А по градиенту его концентрации. позволяют им попеременно экспонировать участки связывания растворенных веществ то с одной, то с другой стороны. Схематическая модель того, как мог бы осуществляться этот процесс показана на рис. 6-47. Теперь мы знаем, что переносчики представляют собой трансмембранные белки, цепь которых пересекает бислой несколько раз. Маловероятно, что такие белки беспрестанно перескакивают в мембране из одного монослоя в другой или перемещаются взад-вперед через липидный бислой, как это предполагали раньше. Далее мы убедимся в том, что сравнительно небольшая модификация модели, изображенной на рис. 6-47, позволяет связать белок- переносчик с источником энергии, например гидролизом АТР (см. рис. 6-49). Замечательным примером белка-переносчика, использующего энергию гидролиза АТР для перекачки ионов, служит (Na + + К + )-насос, играющий решающую роль в образовании мембранного потенциала на плазматических мембранах животных клеток. |