Вопросы по биофизике. Вопросы по биомембранологии 1 Эволюция представлений о строении мембран
 Скачать 30.37 Kb.
|
|
ВОПРОСЫ по биомембранологии 1: 1. Эволюция представлений о строении мембран. 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. По-видимому, этот вывод Е. Гортера и Ф. Грендела оказался правильным только благодаря взаимной компенсации ошибок. Мысль о том, что с мембранами связаны белки, высказана десятью годами позже Дж. Даниелли в связи с необходимостью объяснить явное расхождение между поверхностным натяжением на границах раздела масло/вода и мембрана/вода. Была высказана гипотеза, что мембрана состоит из двойного липидного слоя, и предположено, что белок располагается на ее поверхности – модель Даниели – Дэвсона, или модель «сэндвича» (рис. 1 А, Б). 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. 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) 2. Развитие идей о структуре мембран. Работа Е.Гортера и Ф.Грендела (1925г.). Концепция липидного бислоя. То же самое, что и в первом 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. По-видимому, этот вывод Е. Гортера и Ф. Грендела оказался правильным только благодаря взаимной компенсации ошибок. 3. Модели мембран. Модель Даниели – Дэвсона. Липидный бислой (модель Даниели-Дэвсона). Была высказана гипотеза, что мембрана состоит из 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. Жидкостно-мозаичная модель 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. 4. Какие свойства мембран стали особенно изучаться в 70-х гг. ХХ в. Почему? Начиная с 70-х гг. ХХ в. большое внимание стало уделяться изучению динамических свойств мембран и их взаимосвязи с мембранными функциями. Сложность создания единой модели биологических мембран связана с огромным разнообразием мембранных функций. 5. В последние годы жидкостно-мозаичная модель подверглась модификации. Почему? В соответствии с чем процесс будет продолжаться? 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. 6. Участвует ли мембрана в компартментализации? Охарактеризуйте компартменты с различными свойствами, организованные мембранами внутри клетки. 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 7. Биологические функции мембран. 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. 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. 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. 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. Мембраны участвуют во взаимодействии клеток со средой. 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. 8. Физхические и физикохимические свойства мембран. Липидные бислойные мембраны при физиологических условиях – жидкие, время оседлой жизни фосфолипидных молекул в мембране мало: τ =10-7 – 10-8 с. Вместе с тем, молекулы в мембране размещены не беспорядочно, в их расположении наблюдается дальний порядок. Фосфолипидные молекулы находятся в двойном слое, а их гидрофобные хвосты приблизительно параллельны друг другу. Есть порядок и в ориентации полярных гидрофильных голов. Бислойная липидная фаза биологических мембран соответствует смектическому жидкокристаллическому состоянию. Жидкокристаллические структуры очень чувствительны к изменению температуры, давления, химического состава, электрическому полю. Это определяет динамичность липидных бислойных мембран- изменение их структуры при различных, даже небольших изменениях внешних условий или химического состава. При изменении условий вещество может перейти в другое фазовое состояние (например, из газообразного в жидкое, из жидкого в твердое, из одной кристаллической модификации в другую). Для нормального функционирования мембрана должна быть в жидкокристаллическом состоянии. Поэтому в живых системах при продолжительном понижении температуры окружающей среды наблюдается адаптационное изменение химического состава мембран, обеспечивающее понижение температуры фазового перехода. 9. Мембранные липиды. Фосфолипиды. Наиболее часто встречающиеся фосфолипиды. 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). Основными липидами мембран животных клеток являются глицерофосфолипиды: фосфатидилхолин и фосфатидилэтаноламин. Существует несколько групп фосфолипидов, отличающихся от приведенных в таблице 1 по своему строению: 1) плазмалогены, 2) диольные фосфолипиды и 3) дифосфатидилглицериды ??????????? 10. Мембранные липиды. Гликолипиды. 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 гидроксиль ной 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 контакты. 11. Мембранные липиды. Стероиды. Роль холестерина в биомембранах. 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. Холестерин и его эфиры – непременные составляющие плазматических мембран клеток животных. При этом холестерин легче встраивается в мембрану, чем его эфиры. 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. холестерин влияет на подвижность жирнокислотных хвостов мембранных липидов. 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 12. Принципы организации липидного бислоя. Фосфолипиды как структурная основа бислоя. 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). 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. 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. 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 сре- 39 дах, которое обеспечивает вытеснение воды из образуемых агрегатов» 13. Различные виды подвижности компонентов липидного бислоя. 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. Латеральное движение. Способность липидов перемещаться в мембране в латеральном (продольном) направлении показана многими экспериментами. латеральная диффузия в упорядоченной мембране позволяет веществам перемещаться с относительно высокой скоростью. Она делает возможным образование липидных кластеров. Латеральная диффузия оказывается возможной даже при температуре кристаллического состояния. Повидимому, единственный механизм, который мог бы удовлетворительно объяснить этот факт, заключается в латеральной неоднородности мембраны, наличии дефектных зон (пустот), куда могут вытесняться молекулы из соседних упорядоченных областей. Трансмембранный переход «флип-флоп» типа. В липидных искусственных мембранах такие переходы осуществляются весьма медленно. 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 14. Биологические функции мембранных липидов. 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 (ФИФ2) под действием фермента фосфолипизы С гидролизуется до диацилглицерола, ДАГ, активатора протеинкиназы С, и инозитол-1,4,5-трисфосфата (ИФ3) – регулятора кальциевого обмена в клетке (см. раздел 8). ДАГ, ИФ3, протеинкиназа С и Са2+ – 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. 55 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 15. Углеводы мембран. Другой мембранный компонент, углеводы, в составе мембран обнаруживаются лишь в соединении с белками (гликопротеины и протеогликаны) и липидами (гликолипиды). 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 мембран 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 антиген- 57 ные 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. 16. Мембранные белки. Локализация и подвижность белков в бислое. Функции мембранных белков. 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 антиген- 57 ные 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. 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). 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). 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. 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 66 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. I. Белки-ферменты наиболее распространены среди всех мембранных белков. В их число входят как интегральные (мембранные АТФазы), так и периферические (ацетилхолинэстераза, кислая и щелочная фосфатазы, РНКаза) белки. Ферменты – большие молекулы, в то время как размеры молекул веществ (субстратов), вступающих в ферментативные реакции, обычно в тысячи раз меньше. Фермент взаимодействует с субстратом небольшим участком своей поверхности – активным центром. Специфичность фермента всегда определяется тем, насколько поверхность его активного центра соответствует поверхности субстрата. Этот принцип структурного соответствия повсеместно используется и в работе белков клеточных мембран. II. Рецепторными белками называют белки, специфически связывающие те или иные низкомолекулярные вещества. При связывании специфических лигандов рецепторные белки обратимо меняют свою форму. Эти изменения запускают внутри клетки ответные химические реакции. Таким способом клетка воспринимает различные сигналы, поступающие из внешней среды, и отвечает на них III. Структурные мембранные белки лишены явных ферментативных свойств, возможно потому, что в химическом отношении они мало изучены 17. Цитоскелет и гликокаликс мембран. Структурные белки мембраны связаны со стороны цитоплазмы с примембранными белками, создающими белковые компоненты цитоскелета Структура цитоскелета довольно лабильна, его перестройки происходят постоянно и с большой скоростью. Изменчива и связь цитоскелета с мембранными белками. 70 Исследована ориентация белков цитоскелета эритроцитов, а также относительное расположение индивидуальных белков этой структуры. В состав цитоскелета входят 12 различных белков с молекулярной массой от 25 до 250 кДа (рис. 30). Функции ряда белков установлены. Эти белки позволяют сделать мембраны более устойчивыми без утраты определенной подвижности ее компонентов, необходимой для обеспечения транспортных функций мембран. Например, жесткость плазматической мембраны безъядерных эритроцитов создается за счет ковалентного связывания структурных белков с интегральными белками мембран. В ее состав входит так называемый «белок полосы 3» – интегральный гликопротеин, который обеспечивает транспорт ионов через бислой. Одновременно через белок анкерин он связывается с молекулами спектрина, основного белка цитоскелета, образующего двумерную сеть, к которой прикрепляется актин. Актин цитоскелета не существует в виде отдельных глобул, а образует микрофиламенты – они представляют собой сократительный аппарат цитоскелета. С промежуточными филаментами цитоскелета связана также : наружная ядерная мембрана. Они фиксируют положение ядра в объеме цитоплазмы. Митохондрии перемещаются в клетке также при участии элементов цитоскелета. К цитоскелету примыкают микротрубочки, образуемые при полимеризации глобулярного белка тубулина. Основная роль микротрубочек заключается в обеспечении примембранного транспорта веществ, секреции, эндоцитоза. Микротрубочки и микрофиламенты цитоскелета обеспечивают противодействие клетки изменению ее объема и придают эластичность мембране. Благодаря динамическим свойствам цитоскелета изменения в его структуре позволяют клетке проявить гибко-эластичные свойства, изменять свою форму. В той области клетки, где спектриновая сеть разрушается, могут образовываться впячивания или возникать отшнуровывающиеся части клетки. Наличие цитоскелета обеспечивает дополнительную прочность мембране. Однако роль структурных белков не ограничивается лишь функцией остова, на котором крепятся липиды и ферменты. Известно, например, что структурные белки взаимодействуют со 71 многими низкомолекулярными соединениями, в том числе с АТФ, и могут влиять на работу мембранных ферментов. Достаточно заменить одну аминокислоту в составе структурного белка митохондрий для того, чтобы нарушить многоэтапный процесс сборки ферментов митохондриальной дыхательной цепи. Окружая клетку со всех сторон, мембрана выполняет роль механического защитного барьера. Например, чтобы проколоть клетку с помощью микроэлектрода требуется довольно большое усилие. При давлении иглы электрода на мембрану она сначала сильно прогибается, и лишь затем прорывается. Искусственные липидные мембраны менее устойчивы. Эта механическая устойчивость мембраны может определяться дополнительными компонентами, такими как цитоскелет и гликокаликс (внеклеточный матрикс). Рис. 30. Цитоскелет клетки А – схема расположения белков в цитоскелете эритроцитов: 1 – спектрин; 2 – анкерин; 3 – белок полосы 3; 4 – белок полосы 4.1; 5 – белок полосы 4.9; 6 – олигомер актина; 7 – белок полосы 6; 8 – гликофорин; 9 – мембрана. Б – электрофореграмма белков цитоскелета: 1, 2 – спектрины; 2.1 – анкерин; 5 – актин; 6 – неидентифицированный белок; 7 – тропомиозин; 8–10 – гликофорины; остальные белки обозначены цифрами, соответствующими их положению на электрофореграмме. 72 Гликокаликс представляет собой внешний по отношению к клеточной мембране слой. Он состоит из гликопротеинов, протеогликанов и глюкозаминогликанов и связывается с мембранными структурами с помощью специальных белков-рецепторов, объединяя цитоскелет, мембрану и внеклеточный матрикс в динамическую, подвижную структуру (рис. 31). Как показали электронномикроскопические исследования, гликокаликс имеет вид рыхлого волокнистого слоя толщиной 30-49 Å, покрывающего всю поверхность клетки. Рис. 31. Взаимодействие цитоскелета с гликокаликсом I – протеогликан, II – коллаген, III – фибронектин; образует плотную сеть, IV – молекулы актина, V – интегральные белки мембраны типа белка полосы 3. 73 В состав гликокаликса входят полисахаридные цепочки мембранных интегральных белков – гликопротеидов. Они содержат такие углеводы, как манноза, глюкоза, сиаловая кислота и др. Углеводные гетерополимеры гликокаликса образуют ветвящиеся цепочки, между которыми располагаются свободные гликолипиды и протеогликаны. Слой гликокаликса сильно обводнен, имеет желеобразную консистенцию, что значительно снижает диффузию различных веществ из клетки. Здесь же могут накапливаться выделенные клеткой гидролитические ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении полимеров (внеклеточное пищеварение) до мономерных молекул, которые затем транспортируются в клетку. |