Химия. Навчальний посібник для студентів біологічних спеціальностей вищих навчальних закладів
 Скачать 5.37 Mb.
|
|
політопними. Переважна кількість їх належить до групи рецеп- торів, які активують каскад хімічних реакцій, що забезпечують передачу зовнішньоклітинного сигналу середину клітини (детально буде розгляну- тов наступних розділах). Зауважимо, що більшість мембранних білків є інтегральними. Практично всі вони здатні до переміщення у площині мембрани, а деякі з них навіть на великі відстані. Зв'язок інтегральних мембранних білків з білками цитоске- лету, різний за структурою та функціональним призначенням, зумовлює неоднакову здатність білків мембрани до латеральної дифузії. Крім того, інтегральні мембранні білки здатні за рахунок виникнення білок-білкових взаємодій досить тісно асоціюватись з периферійними білками мембрани. Мембранні вуглеводи. Вуглеводи локалізовані переважно на проти- лежному від цитозолю боці мембрану плазмолемі вони обернені в поза- клітинне середовище, у внутрішньоклітинних мембранах – у середину оточеного мембраною компартменту. Представлені глікопротеїнами (протеогліканами) (близько 10 %) і гліколіпідами (5–26 %). Кількісно та якісно вуглеводовмісні компоненти мембран суттєво ва- ріюють залежно від типу клітин (а отже, і залежно від особливостей фун- кціонування їхніх мембран. В еукаріотичних клітинах вуглеводовмісні сполуки беруть участь, по- перше, в утворенні глікокаліксу – збагаченої вуглеводами периферійної зони на поверхні більшості еукаріотичних клітин (рис. 3.3). До складу глі- кокаліксу відносять також глікопротеїни та протеоглікани, які секретуються клітинами й адсорбуються на клітинній поверхні. Подруге, вуглеводовмісні сполуки відіграють не останню роль у визначенні антигенних властивос- тей клітин, у формуванні рецепторів гормонів і нейромедіаторів, а також базальної мембрани (специфічного еластичного примембранного шару. 56 Глікокалікс Цитозоль Плазмолема Ядро ______ 0,2 мкм Рис. 3.3 [9]. Електронограма поверхні лімфоциту. Забарвлення рутенієвим червоним 3.2. Принципи структурно-функціональної організації плазматичної мембрани еукаріотичної клітини У плазматичних мембранах усіх еукаріотичних клітин ліпідний бішар визначає головні структурні особливості (як і в мембранах будь якого типу, тоді як білки відповідають за більшість мембранних функцій. Будучи специфічними рецепторами, ферментами, молекулами адгезії, білки виступають ключовими елементами механізмів міжклітинної сигналізації, розпізнання позаклітинного сигналу та його передачі в середину клітини, процесів формування клітинних ансамблів тощо. Більшість з білків плаз- молеми, розташованих на поверхні мембрани, а також певні ліпіди зов- нішнього боку ліпідного бішару ковалентно зв'язані з олігосахаридами, які залучаються до процесів міжклітинного розпізнання та розпізнання між клітинами й міжклітинним матриксом. Визначені нами базові принципи структурно-функціональної організа- ції плазматичної мембрани є загальними для всіх еукаріотичних організ- мів. Її особливості будови й "режим роботи" прямо пов'язані з "функціо- нальним призначенням" клітини. Особливо актуальним це є для багаток- літинних еукаріотів, на "роботу" плазмолеми яких активно впливають не стільки фактори довкілля, як міжклітинні взаємодії у створених багатоклі- тинних ансамблях. До складу останніх можуть входити різні за будовою клітини: м'язові, нервові, епітеліальні тощо. Цей факт посилює гетеро- генність (структурну й функціональну) поверхонь плазмолеми, які контак- тують з різними клітинними партнерами. Але навіть у межах відносно однорідної клітинної формації, наприклад в епітеліальній тканині, спо- 57 стерігається бічна поверхнева гетерогенність плазмолеми. В епітеліоци- тах визначають базальну клітинну поверхню, якою клітини контактують з позаклітинним матриксом, базолатеральну поверхню, якою вони прик- ріплюються до інших клітин у тканинному комплексі, та апікальну, вільну поверхню, тобто у клітині виявляється певна полярність. Зрозуміло, що кожна з поверхонь, потрапляючи в різне "оточення", формує свою власну індивідуальність як структурну, так і функціональну. Так, апікальні поверхні клітин можуть мати високоспеціалізовані мем- бранні вирости – мікроворсинки. Вонисуттєво збільшують площу повер- хні епітеліоциту, тим самим збільшуючи, як мінімум, його всисну спромо- жність. Кожна мікроворсинка має внутрішню основу (скелет) із зв'язаних між собою актинових філаментів, які, усвою чергу, зв'язані зі специфіч- ними білками (які й забезпечують актиновому скелету можливість реалі- зувати своє фізіологічне призначення) і кортикальним цитоскелетом клі- тини. Останнє робить фізіологічні зміни поверхневого апарату клітини відчутними для внутрішньоклітинного середовища Іншим варіантом спеціалізованої модифікації апікальної поверхні є формування війок, як, наприклад, в епітеліоцитах покриву дихального шляху в бронхіолах. Війки, як і мікротрубочки, мають високоорганізовану систему внутрішнього скелету, що в даному випадку складається з мік- ротрубочок, організованих за певним принципом. Організована таким чином апікальна поверхня добре пристосована для видалення непотріб- них часток з дихальних шляхів (детально про будову мікроворсинок і ві- йок йдеться у розділі "Цитоскелет"). Епітеліальні клітини у складі тканини залучені до формування епіте- ліальних покривів і вистилок, тобто клітинних утворень, найголовнішою з функцій яких має бути бар'єрна. Це вимагає від епітеліоцитів якнайпер- ше формування міцного міжклітинного з'єднання. Реалізується воно за участю спеціалізованих міжклітинних контактів, до формування яких залученні спеціалізовані трансмембранні білки на базолатеральних по- верхнях контактуючих клітин. Щільний контакт, локалізований між кліти- нами дуже близько до їхньої апікальної поверхні, адгезивний пояс, роз- ташований нижче, – усе це міцно з'єднує клітини, запобігаючи подоланню розчинними речовинами епітеліального бар'єра. Але крім того, вони уне- можливлюють латеральну дифузію мембранних білків апікальної повер- хні в базолатеральну зону (і навпаки), білків, які створюють системи клі- тинного розпізнання, адгезії, транспорту тощо. Це посилює мембранну полярність (детально особливості структурно-функціональної організації міжклітинних контактів і мембранних рецепторів буде описано в наступ- них розділах). Не меншу індивідуальність виявляє і базальна поверхня епітеліоцитів, яка забезпечує їм можливість кріпитися до спеціалізованої базальної мембрани, яка підстилає епітеліальний пласт. З цього боку клітина також "озброєна" спеціалізованими трансмембранними лінкера- ми, що формують специфічні міжклітинні контакти. 58 3.3. Мембранний транспорт Проникність плазматичної мембрани клітини. Гідрофобність внут- рішньої області ліпідного бішару плазматичної мембрани робить її практично непроникним бар'єром для більшості полярних молекул. Ця влас- тивість зумовлена необхідністю "утримання" всередині водорозчинного вмісту клітини. Однак для нормального метаболізму клітина весь час потребує наявності водорозчинних молекул, їхній транспорт здійснюють спеціалізовані шляхи перенесення. Окрім цього, клітинам необхідно ре- гулювати внутрішньоклітинні концентрації певних іонів. Вибіркова проник- ність плазмолеми разом з механізмами активного транспорту через неї створюють суттєву різницю у іонному (і не лише) складові цитозолю та позаклітинної рідини. Це дозволяє клітинним мембранам запасати потен- ційну енергію у вигляді градієнтів концентрацій іонів. Такі трансмембранні іонні градієнти використовуються клітиною для здійснення різних транспо- ртних процесів, для передачі електричних сигналів, а також для синтезу АТФ на внутрішньоклітинних мембранах органел (мітохондрій і пластид). Пасивний транспорт. Теоретично будь-яка молекула за достатньо тривалий час здатна перетнути позбавлений білків ліпідний бішар за ра- хунок дифузії за градієнтом концентрації. Але слід зазначити, що чим менше сама молекула, чим більше вона гідрофобна й чим менше вона утворює водневих зв'язків, тим швидше вона дифундує через бішар мембрани. Так, клітинні мембрани здатні пропускати воду й малі неполярні молекули за рахунок простої фізичної дифузії.Що стосується заряджених молекул (незалежно від їхнього розміру), то для них ліпідний бішар є практично непроникним – "заважають" заряд і високий ступінь гідратації. Розрізняють просту й полегшену дифузію. У випадку простої дифузії речовина безпосередньо дифундує через мембрану з компартмента з більшою її концентрацією в компартмент з меншою. Дифундувати таким чином здатні низькомолекулярні гідрофобні органічні сполуки (жирні кис- лоти, сечовина), а також невеликі нейтральні молекули (вода, кисень, двоокис вуглецю тощо). Однак клітинні мембрани проникні й для полярних молекул, таких як вуглеводи, амінокислоти, нуклеотиди та інші метаболіти, що повільно проходять крізь бішари. За перенесення подібних розчинених речовин через клітинні мембрани відповідають специфічні мембранні транспо- ртні білки. Вони є в біологічних мембранах будь-якого типу. Білки цього типу виявляють специфічність щодо речовини, яку вони транспортують: певний білок "обслуговує" молекули лише певного класу (наприклад, не- органічні іони, вуглеводи або амінокислоти), а нерідко, і лише якогось одного певного представника молекул цих класів. Вузьку специфічність транспортних білків було вперше наочно про- демонстровано при вивченні бактеріальних мутацій: з'ясувалось, що пе- вні мутації, які відбуваються в одному-єдиному певному генові призво- дять до зникнення у бактерій здатності транспортувати через плазмолему 59 певні вуглеводи. Аналогічні мутації відомі й у людини. Вони спричинюють різноманітні спадкові хвороби, пов'язані з порушенням транспорту пев- них речовин, наприклад, у нирках або кишечнику. Так, при цистинурії втрачається здатність транспортувати певні амінокислоти (включаючи цистин-зв'язаний дисульфідним зв'язком димер цистеїну) із сечовини або кишечнику в кров, що викликає накопичення цистину в сечовині й приз- водить до утворення цистиновых "камінчиків" у нирках. Результатом довгого й ретельного вивчення мембранних транспорт- них білків було встановлення того факту, що вони переважно є трансме- мбранними політопними білками, здатними забезпечувати шляхом фор- мування наскрізних проходів перенесення специфічних речовин через мембрану без їхнього (речовин) прямого контакту з гідрофобною серце- виною ліпідного бішару. Сьогодні достатньо добре вивчено і функціональну специфіку, і особ- ливості локалізації мембранних транспортних білків, а також визначено два основні їхні класи: каналутворювальні білки та білки- переносники (транспортери або транслокатори),які різняться меха- нізмом перенесення речовин через ліпідний бішар: При одному з таких механізмів, між субодиницями каналутворюваль- них білків завжди наявний відкритий гідрофільний канал, доступний лише для речовин певного розміру й заряду. За іншою моделлю, подібний канал відкривається лише за умови специфічного зв'язування з одним із його боків специфічного ліганду – речовини, що має транспортуватися. Білки-переносники ж здійснюють транспорт певного розчинного, спе- цифічно зв'язаного з ними ліганду унаслідок певних зворотних конфор- маційних змін, спричинених самим процесом зв'язування ліганду з біл- ком-переносником. У результаті таких конформаційних змін розчинений ліганд, що зв'язався з транспортером з одного боку мембрани, вивільню- ється з іншого. Білки-переносники мають певну специфічність щодо речо- вини, яку вони переносять, при цьому сам процес перенесення не викли- кає, як правило, її модифікаційних змін. Вважають, що транспортери скла- даються переважно з декількох трансмембранних білкових субодиниць. Деякі білки-переносники забезпечують просте перенесення певної ро- зчинної речовини з одного боку мембрани на інший (таке просте перене- сення називають уніпортом), інші працюють як котранспортні системи, в яких перенесення однієї розчинної речовини залежить від одночасного або послідовного перенесення іншої речовини або в тому самому напрямку (симпорт), або в протилежному (антипорт). Зв'язування розчиненої речовини може бути специфічно блоковано як конкурентними інгібіторами, що конкурують за одну ділянку зв'язування, так і неконкурентними інгібіторами, що зв'язуються в іншому місці, але специфічно впливають на структуру переносника. Але незалежно від механізму напрямок і швидкість перенесення ре- човини визначається різницею концентрацій цієї речовини по обидва бо- ки мембрани, а саме перенесення здійснюється за участю спеціальної 60 допоміжної білкової системи, робота якої не вимагає енергетичних затрат. Такий тип транспорту речовин через мембрану є пасивним і нази- вається полегшеною дифузією. Якщо молекула речовини, що транспортується, не має заряду, тона- прямок пасивного транспорту визначається лише різницею концентрацій цієї речовини по обидва боки мембрани (градієнтом концентрації). Та якщо молекула заряджена, тона її транспорт впливають як градієнт кон- центрації, так і різниця електричних потенціалів на сторонах мембрани ( мембранний потенціал). Разом концентраційний і електричний градіє- нти складають електрохімічний градієнт. Фактично, про що вже йшлося раніше, у будь-якій плазматичній мембрані є градієнт електрич- ного поля, при цьому внутрішній бік мембрани заряджений негативно відносно зовнішнього. Такий мембранний потенціал полегшує проник- нення в клітину позитивно заряджених іонів, але заважає проходженню всередину іонів, заряджених негативно. Зрозуміло, що підвищення електрохімічного градієнта прискорює транспорт шляхом полегшеної дифузії. Однак при безперервному підвищенні концентрації ліганду з одного боку мембрани, тобто при безперервному підвищенні концентраційного градієнта, швидкість перенесення може зро- стати не безкінечно – виникає явище насичення. Подібне є характерним і для ферментів. Така аналогія дає можливість розглядати транслокази як "ферменти", що каналізують переміщення речовин через мембрани. Іонофори. Існує група невеликих гідрофобних молекул, розчинних у ліпідних бішарах мембран, здатних підвищувати їхню проникність для іонів. Більшість таких молекул, названих іонофорами, синтезується мік- роорганізмами. Вони "екранують" заряд іону, який транспортують, що й забезпечує його проходження через гідрофобну внутрішню зону ліпід- ного бішару мембрани. Оскільки іонофори не пов'язані з джерелами ене- ргії, сприяючи транспорту іонів за їхнім електрохімічним градієнтом, вони можуть розглядатися як "система сприяння" процесу полегшеної дифузії. Існують декілька типів іонофорів. По-перше, це рухливі переносники іонів, прикладом яких є валіноміцин. Він переносить один іон К + (за електро- хімічним градієнтом), захоплюючи його з одного боку мембрани, дифундую- чи з ним через бішар, і вивільнюючи його з іншого боку. Інший іонофор – А – транспортує двовалентні катіони, такі як іони Са 2+ або Mg 2+ . Алена відміну від попереднього, він, як правило, діє як іонобмінник – на кожний дво- валентний катіон, що вноситься ним у клітину, він видаляє назовні два іони Н + Другим типом іонофорфів є каналутворювальні іонофори. Напри- клад, граміцидин А, дві молекули якого з'єднуються в ліпідному бішарі мем- брани, формуючи трансмембранний канал, що дозволяє моновалентним катіонам (іонам Н + найлегше, іонам К + менш легко, а також Na + , хоча й важ- ко) проходити мембраною за їхніми електрохімічними градієнтами. Створені димери є непостійними, вони весь час утворюються та дисоціюють, тому створений канал залишається відкритим лише протягом 1 с. Але за наявно- сті великого електрохімічного градієнта граміцидин А допомагає пропустити 61 близько 20000 катіонів на один відкритий канал за 1 мс, що в 1000 разів біль- ше, ніж може перенести за цей час одна молекула рухливого переносника. Каналутворювальні білки. Каналутворювальні білки, як відомо,фор- мують у мембранах пори, заповнені водою. Зауважимо, що такі пори, на- прикладу зовнішніх мембранах бактерій, у мембранах мітохондрій і хло- ропластів відносно неспецифічні й великі за розміром, тоді яку плазмати- чних мембранах тварин і рослинних клітин вони менші й високоспецифічні. Майже всі білкові канали слугують для специфічного транспорту іонів, тому їх називають іонними каналами. Останні ніколи не працюють сумісно з джерелом енергії. Транспорт, який вони здійснюють, завжди пасивний і дозволяє специфічним іонам, головним чином Na + , К, Са 2+ або С, ди- фундувати за їхнім електрохімічним градієнтом через ліпідний бішар. Іонні канали всіх клітин є інтегральними мембранними білками, які регу- люють надходження специфічних іонів через мембрану. Пори іонних каналів (специфічне молекулярне сито) вузькі, тому під час проходження через них іони скидають гідратну оболонку, утворюючи після цього слабкі електроста- тичні зв'язки з полярними амінокислотами вздовж стінок каналу. Оскільки втрата іоном молекули води є енергетично невигідною, іон переходить по каналу лише тоді, коли електростатичні взаємодії компенсують втрату води. Через такий каналу бішарі можуть проходити лише іони певного розміру. При збільшенні концентрації іонів з одного боку мембрани їхній потік через канал збільшується пропорційно, але до певного рівня. Усі відомі іонні канали можуть перебувати у двох конформаційних станах по- перше, канал відкритий і іони переміщуються за градієнтом концентрації; подруге, канал закритий і не пропускає іони. Зміна конформаційних ста- нів каналів регулюється за ворітним механізмом, який зводиться до значних конформаційних змін білкових субодиниць каналів. Регуляція конформаційного стану іонного каналу здійснюється різни- ми способами. Так, відкриття каналів може відбуватися у відповідь назв язування специфічних хімічних сигнальних молекул (лігандів) зі спе- цифічними доменами цих каналів ( |