Химия. Навчальний посібник для студентів біологічних спеціальностей вищих навчальних закладів
 Скачать 5.37 Mb.
|
|
Рис. 3.1 [9]. Схематичне тривимірне зображення ділянки клітинної мембрани На поверхні ж ліпідного шару розташовуються водорозчинні (поверх- неві) білки. Ця модель передбачає можливість взаємодії поверхневих і внутрішніх або інтегральних мембранних білків з утворенням специфіч- них агрегатів (усередині або на поверхні мембрани) з гідрофільними порами чи каналами. Дана модель не суперечить і набутим численним до- казам як хімічної, так і структурної гетерогенності клітинних мембран. І хоча всі мембрани мають певну хімічну та структурну подібність (органі- зація ліпідів у вигляді бішару, наявність поверхневих і внутрішніх, у тому числі інтегральних, білків і вуглеводів на зовнішніх боках плазматичних мембран, різні види мембран мають різний якісний і кількісний склад ліпідних, білкових і вуглеводних компонентів. Так, мембрани з доміную- чою бар'єрною та ізоляційною функцією (наприклад, мієлінові волокна) мають вищий вміст ліпідів (до 80 % складу мембрани), функціонально активні мембрани (мембрани ЕПР, мітохондрій) містять більше білків (до 70 %). Крім того, мембрани виявляють себе як достатньо лабільні систе- ми, здатні в нормі певними змінами адекватно реагувати на зміни різних функціональних станів організму в різні періоди онтогенезу. 49 3.1. Хімічний склад і загальні принципи організації біологічних мембран Біологічні мембрани є складними надмолекулярними комплексами, до складу яких входять ліпіди, білки вуглеводи й неорганічні речовини вода, Са 2+ , Mg 2+ ). Слід підкреслити, що всі біологічні мембрани, маючи принципово однаковий хімічний склад, подібні закономірності організації хімічних компонентів, мають при цьому істотні відмінності у структурі, які залежать від типу мембран і особливостей їхніх функцій. До загальних принципів організації мембран можна віднести по-перше, її неоднорідність, подруге, лабільність (частина мембранних складових перебуває у стані безперервного руху), і, по-третє, високий рівень асимет- ричності (зовнішній і внутрішній шари мембрани відрізняються за якісним і кількісним складом ліпідів; білки, мозаїчно розташовані серед ліпідів, ма- ють чітке розмежування поза- та внутрішньоклітинних доменів). Як зазначалось у попередніх розділах, еукаріотична клітина сьогодні постає як складна, скоординована система мембран і мембранних утво- рень. Крім плазматичної мембрани, яка, власне, формує клітину, відо- кремлюючи її від зовнішнього середовища, та забезпечує підтримання внутрішньоклітинного гомеостазу, клітини містять гетерогенну за хіміч- ним складом і специфікою організації систему внутрішньоклітинних мембран мембрани ЕПС, апарату Гольджі, лізосом, мітохондрій, пластид, ядерні мембрани, мембрани численних внутрішньоклітинних вакуоль (піноцитозних, фагоцитозних, секреторних тощо). І кожна мембрана має свою хімічну й функціональну індивідуальність. Вже зазначалося, що мембрана містить велику кількість білків, частина з яких має фермента- тивну активність. Деякі з цих ферментів локалізовані лише в певних мембранах, будучи їхніми хімічними маркерами (табл. 3.1). Синтез клі- тинних білків, як детально буде проаналізовано нижче, відбувається в цитозолі та на мембранах грЕПС (деякі білки мітохондрій і хлороплас- тів у рослин синтезуються в самих органелах). Таблиц я 3. 1. Приклади ферментних маркерів деяких мембран Мембрана Маркерний фермент Плазматична 5'- нуклеотидаза, аденілатциклаза, Na + - К + - АТФаза Внутрішня мітохондріальна мембрана АТФсинтетаза Ендоплазматична сітка Глюкозо-6-фосфат Апарат Гольджі Галактозилтрансфераза Так, цитозольний синтез забезпечує білкові потреби мітохондрій, ядра, пероксисом і власне цитозолю, тоді як на рибосомах грЕПС здійснюється синтез білків мембран ЕПС, мембран апарату Гольджі, плазматичної мембрани, а також секреторних білків і лізосомних ферментів. Ліпіди мембран також синтезуються на ЕПС і переносяться до плазматичної 50 мембрани. Перенесення як білків, так і ліпідів здійснюється транспортними пухирцями, тобто компоненти транспортуються у вигляді готових мембрана це означає, що мембрани походять лише з попередніх мембран. Мембранні ліпіди. Ліпіди становлять, у середньому, близько 40 % від сухої маси мембран, 80% з них припадає на гліцерофосфоліпіди (фос- фогліцериди) (табл. 3.2). Таблиц я 3 . 2 . Вміст головних типів мембранних ліпідів Головні ліпіди мембрани Заряд головної групи Процент вмісту Фосфогліцериди 0 до -2 50 –90 % Фосфатидилхолін 0 40 –60 % Фосфатидилетаноламін 0 20 –30 % Фосфатидилсерин -1 5 –15 % Кардіоліпін -2 0 –20 % Фосфатидилінозитол -1 5 –10 % Сфінгомієлін 0 5 –20 % Холестерол 0 0 –10 % Як відомо, кількісний і якісний склад ліпідів у біологічних мембранах визначається характером функціональної активності останніх. Однак пе- вні групи ліпідів є домінуючими в мембранах, що визначається їхніми фізико-хімічними властивостями. Фосфогліцериди – основний клас ліпідів біологічних мембран – складаються з молекули гліцеролу, дві гідроксильні групи якого етерифі- ковані жирними кислотами, а третя – залишком фосфорної кислоти, ете- рифікованої спиртом. Більша частина полярних ліпідів має подібну будо- вуза деякими відмінностями. Жирні ацильні ланцюги відрізняються за структурою, кількістю та розташуванням подвійних зв'язків, що суттєво впливає на властивості білково-ліпідного бішару. Атоми карбону, які утворюють подвійні зв'язки, не здатні вільно обертатися, займають фік- совану позицію і створюють вигини у вуглецевому ланцюзі, що запобігає щільній упаковці ліпідних хвостів і збільшує плинність мембрани в ціло- му. Слід також підкреслити, що коротші ацильні ланцюги, упаковані в менш щільні структури, що також сприяє зменшенню в'язкості мембрани. Загалом стабільність взаємодії залишків вуглеводних ланцюгів жирних кислот зумовлюється їхньою довжиною, насиченістю та розгалуженістю. Сфінголіпіди – другий за поширеністю тип мембранних ліпідів, серед них найчастіше зустрічаються цераміди, які містять або фосфатидилхо- лін або фосфатидилетаноламін (які заміщують перший гідроксил). Вони є представниками негліцеролових ліпідів: містять у своїй основі не гліце- рол, а інші спирти, наприклад, аміноспирт сфінгозин. Спиртова основа зв'язується з жирними кислотами амідним зв'язком через Н групу, а один з гідрогенів групи ОН може заміщуватися різними полярними гру- пами. Залежно від природи гідрофільної "головки, розрізняють такі кла- 51 си, як цереброзиди (приєднується моносахарид, фосфосфінголіпіди (приєднується фосфат) гангліозиди (приєднуються кислі олігосахариди). Стеролові ліпіди (стериди) – похідні ненасиченого поліциклічного карбогідрату, який складається з декількох зв'язаних кілець, дають третю найпоширенішу ліпідну сполуку мембран – холестерол. Він становить від 40 до 60 % усіх ліпідів мембрани ссавців. Полярна група ОН- надає його молекулі слабких амфіфільних властивостей. Замкнута структура кілець, будучи гідрофобною та розташовуючись між ацильними (також гідрофобними) доменами інших ліпідів, призводить до менш щільної упаковки ненасичених ацильних ланцюгів, що робить внутрішню частину бішару більш пливкою. Таке зниження в'язкості сприяє латеральному переміщенню ліпідів у площині ліпідного бішару. У той же час ОН- група холестеролу локалізована ближче до головок інших ліпідів. Вона "цементує" гідрофільні частини компонентів мембра- ни, зменшуючи тим самим її проникність для невеликих молекул. Більшість мембранних фосфоліпідів містить у своїх ацильних ланцю- гах один або більше цис-подвійних зв'язків, що знижує щільність їхньої упаковки та збільшує їхню рухливість. У результаті мембрана стає менш вязкою за фізіологічної температури. У рухливій мембрані можуть виникати "порожнини", які полегшують рух через мембрану дрібних водорозчинних молекул, наприклад глюкози. Наявність холестеролу спричинює щільнішу упаковку мембрани в ділянці гідрофільних доменів, і одночасно заповнює порожнини, утворені виги- ном цис-подвійного зв'язку в ацильному ланцюгу ліпіду. Хоча молекули холестеролу здатні легко перескакувати між шарами (явище назвивається "фліп-флоп"), вони, як правило, скупчуються в зовнішньому шарі (потов- щуючи його до того ж. Слід підкреслити, що частка різних ліпідів у мембранах еукаріотич- них клітин різних типів суттєво варіює, що певним чином визначає біо- логічні функції цих клітин (або окремих клітинних органел). Біологічна роль ліпідів кожної із згаданих груп зумовлюється їхніми фізико- хімічними властивостями, а саме: 1. Здатність молекул ліпідів утворювати бішар зумовлюється їхнім амфіпатичним характером.У фосфоліпідах чітко можна виділити два домени: гідрофільний – фосфатну головку молекули із замісниками (хімічні властивості цього домену й зумовили його розчинність у воді) та гідрофобний – ацильні ланцюги, що відходять від гліцеринового остова вони є неполярними, а отже, і нерозчинними у воді). На межі розподілу фаз "вода–повітря" такі молекули сформують мономолекулярний шар, в якому гідрофільні домени (головки амфіпатичних ліпідів) будуть зану- рені уводу, а гідрофобні (ацильні ланцюги) – зорієнтовані в повітря. Такого ж типу мономолекулярний шар сформують ліпіди й на межі роз- поділу між водною та ліпідною фазами (у ліпідну фазу зануряться непо- лярні (ліпофільні) вуглеводні ланцюги. 52 У водних розчинах амфіпатичні молекули створюватимуть специфічні агрегати – міцели, які можна вважати ліпідними біополімерами. Намага- ючись повернутися доводи (яка є полярним розчинником) своїми зарядже- ними "головками, ліпіди будуть створювати, залежно від умов, різні типи міцел. Нормальні міцелиформуються за умови"багато води – мало ліпі- дів", вивернуті міцели – мало води – багато ліпідів", а бішариутворю- ються з подвійного шару ліпідів, в яких гідрофобні частини молекул повер- нуті одна до одної, а гідрофільні контактують з навколишнім (водним) сере- довищем. Ліпідний бішар здатний формуватися спонтанно, він є стійким за термодинамічних причина не за рахунок формування ковалентних зв'язків). 2. В'язкість мембранних ліпідів визначає певні властивості й особ- ливості поведінки мембрану цілому. Усвою чергу, в'язкість ліпідів у бі- шарі зумовлюють такі фактори, як кількість СН 2 - груп у ацильних ланцю- гах, кількість подвійних зв'язків у ланцюгах, а також кількість холестеролу в бішарі. Чим довші й насиченіші ацильні ланцюги, тим щільніше вони можуть бути "упаковані". Щільна упаковка знижує плинність бішару. При цьому, пливкість мембрани є вищою в гідрофобній зоні, а гідрофільні зони, які містять полярні "головки" ліпідів, є суттєво менш рухливими. Ліпіди різних типів вбудовуються в мембрану з певною закономірністю. Групуючись по-різному, вони можуть формувати на мембрані специфічні поля – ліпідну мозаїку. Так, у зоні контакту клітинної мембрани з іншою клітиною (чи субстратом) домінуючими є ліпіди з насиченими ацильними ланцюгами (що підвищує жорсткість мембрани в зони контакту. Хімічні властивості ліпідів (і, як результат, особливості структурної ор- ганізації утвореного ними бішару) визначають здатність молекул ліпідів до руху в площині мембрани. Так, у мембранах клітин ссавців вони пере- бувають у постійному русі. Мембранні ліпіди здатні й до переходів між зовнішнім і внутрішніми шарами в бішарові. Цей процес може здійснюва- тися шляхом звичайної, але дуже повільної дифузії. А може реалізувати- ся шляхом "фліп-флоп"-перескакування. Ураховуючи той факт, що таке перескакування вимагає швидкого проходження полярного домену ліпіду через неполярну зону бішару (і навпаки), він реалізується за участю спе- ціального транслокаційного механізму. Слід підкреслити, що зовнішні та внутрішні шари ліпідного бішару асиметричні за кількісним та якісним вмістом ліпідів. Так, концентрація фосфатидилсерину (який має сумарний від'ємний заряд) вища у оберне- ному до цитозолю шарові мембрани (тому внутрішня поверхня мембрани заряджена від'ємно по відношенню до зовнішньої). У цьому ж внутріш- ньому шарові переважає і фосфатидилінозитол, залучений до передачі зовнішнього сигналу у цитоплазму клітини. Гліколіпіди ж, наприклад, ло- калізуються практично завжди, у зовнішньому шарові мембрани. Існуюча ліпідна асиметрія зовнішнього та внутрішнього шарів мем- брани підтримується за рахунок спеціальних механізмів. Цьому сприяє і надзвичайно низька швидкість дифузії ліпідів між шарами. Транслокація 53 ж ліпідів шляхом перескакування з використанням спеціального механіз- му дозволяє клітинній мембрані адекватним чином реагувати на зміну фізіологічних умов (або фізіологічних вимог). Мембранні ліпіди крім своєї структурної ролі, ролі фізичного бар'єра про особливості якої детально йтиметься нижче) є дієвими елементом механізмів міжклітинної сигналізації. Так, у відповідь на певну стимуля- цію може відбутися гідроліз певних фосфоліпідів мембрани з утворенням діацилгліцеролу, здатного розпадатися далі з вивільненням арахідо- нової кислоти, найпоширенішої в мембранах ссавців С- полінена- сиченої жирної кислоти. Остання ж, усвою чергу є попередником для синтезу ейкозаноїдів. Окиснені ейкозаноїди (простагландини, тромбок- сани (перша група), а також гідрокси-, гідроксипероксижирні кислоти та лейкотрієни (що складають другу групу)) є гормоноподібними речовина- ми (медіаторами) із сильним, але короткочасним ефектом. Так, простаг- ландини з'являються через 10–20 с після стимуляції клітини, їхній синтез відбувається потягом 1–5 хв, після чого зупиняється. Вони (а також лей- котрієни) залучені до розвитку запальних, температурних і больових реа- кцій, індукції згортання крові, регуляції артеріального тиску тощо. Крім того, діацилгліцерол, високоактивна речовина ліпідної природи, залиша- ючись у мембрані (і не розпадаючись далі), виявляє здатність до лате- ральної дифузії. Переміщуючись у площині мембрани, він локалізується поблизу ферментів (кіназ), регулюючи їхню активність. Крім діацилгліцеролу, результатом розщеплення мембранних фос- фоліпідів є фосфорильований інозитол, гідрофільна молекула, яка ви- ступає в ролі вторинного посередника, специфічного "передавача" зов- нішньоклітинного сигналу від клітинної мембрани у внутрішньоклітинне середовище, який здійснює свою функцію, зв'язуючись з внутрішньоклі- тинними рецепторами. Наведені приклади наочно демонструють роль мембранних ліпідів як необхідного джерела отримання та інтерпретації зовнішніх сигналів, що надходять до клітини. Мембранні білки. Білки становлять близько 50 % маси більшості клі- тинних мембран. Частина їх приєднується до ліпідного бішару амідним зв'язком між їхнім N-кінцевим залишком (найчастіше це гліцин) і карбоксильною групою жирної кислоти (як правило, це міристинова чи пальмі- тинова жирні кислоти (рис. 3.2). Інша частина ліпід-зв'язаних білків утво- рює тіоефірний зв'язок між цистеїном і специфічною ізопреновою структурою (близькою за будовою до холестеролу). Деякі ж мембранні білки приєднуються до ліпідного бішару, а саме до мембранного ліпіду гліко- зилфосфоінозитиду, через вуглевод за допомогою фосфодіефірного зв'язку. Такі білки називають білками, приєднаними до гліцеролфосфоі- нозитидного якоря (ГФЯ). 54 1 2 3 а б в соон да б в соон г NH 2 д Рис. 3.2 [9]. Варіанти асоціації мембранних білків з ліпідним бішаром: 1 – позаклітинний простір; 2 – цитозоль; 3 – ліпідний бішар; а – монотопний білок; б – політопний білок; в – мембранний білок з'єднаний з бішаром за допомогою ланцюгів жирної кислоти; г – мембранний білок з'єднаний з бішаром через фосфоліпід фосфатидилінозитол, занурений у зовнішній моношар за участю олігосахариду; д – білок, асоційований з мембраною за допомогою нековалентних взаємодій з іншими мембранними білками При використанні мембрани еритроцитів як моделі, було виявлено іс- нування двох типів мембранних білків. Першу групу складають периферійні білки, не занурені в ліпідний бішар і не з'єднані з ним ковалентно, а пов'язані з мембраною лише іон- ними взаємодіями. Вони становлять близько 30 % загальної кількості мембранних білків. При обробці мембрани буферними розчинами з висо- кими концентраціями солей можна легко досягнути вивільнення білків цього типу з мембрани в буфер. Типовими представниками цього класу мембранних білків з характерними структурно-функціональними ознака- ми можуть виступати спектрин (локалізований на внутрішній поверхні більшості клітинних мембран) і фібронектин (локалізований на зовнішній поверхні більшості клітин). Білки другого типу – інтегральні білки – занурюються в товщу ліпід- ного бішару на різну глибину або пронизують його наскрізь (у цьому ви- падку їх називають трансмембранними). Вони складають близько 70 % загальної кількості білків мембрани. Білки цього типу є амфіпатичними, тобто мають як гідрофільні, так і гідрофобні області. Трансмембранні ділянки інтегральних білків (занурених у гідрофобне середовище всереди- ні мембрани) мають преважну кількість неполярних амінокислот, упакова- них у термодинамічно вигідну для бішару альфа-спіраль. Незначна ж кіль- кість заряджених амінокислот майже повністю нейтралізується взаємодією з амінокислотами протилежного знаку. До інтегральних належать також білки, ковалентно (через вуглевод) зв'язані з молекулами мембрани. 55 Залежно від характеру вбудовування в ліпідний бішар (що усвою чергу спричинено особливостями хімічної структури) інтегральні транс- мембранні білки поділяють на декілька груп. Першу з них складають монотопні білки, білки, які мають одну трансмембранну ділянку. Біль- шість з них є рецепторами, які зовнішньоклітинним доменом розпізнають зовнішньоклітинний сигнал, трансмембранним доменом вбудовані в ліпі- дний бішар мембрани, внутрішньоклітинний же домен містить каталітич- ний, або "активуючий" центр (детальніше розглядатиметься в наступних розділах). Інколи рецептор "збирається" з декількох монотопних білків, здатних переміщуватися у площині мембрани та групуватися з утворен- ням одного рецептора з одним механізмом сприйняття зовнішньоклітин- ного сигналу та його передачі в середину клітини. Трансмембранні білки, які мають більше ніж одну трансмембранну ді- лянку, тобто більше одного разу перетинають ліпідний бішар, назива- пються |