Входят в состав мембран – 1.3. Состав и строение мембран.

Состав мембран

Состав мембран

 

Основными компонентами мембран являются белки и липиды. На долю углеводов может приходиться около 10% массы мембран, при этом они всегда входят в состав гликолипидов или гликопротеи-нов. Соотношение между белками и липидами в мембранах значительно варьирует — от 20% белка в миелине до 80% в митохондриях. В табл. 1.3 и 1.4 обобщены данные по составу ряда мембран. Плотность мембран прямо пропорциональна содержанию в них белка. Судя по данным изопикнического центрифугирования, чем выше содержание белка в мембране, тем больше ее плотность.

 

Таблиця 1. Фосфолипидный состав субклеточных мембран печени крысы «

Доля от суммарного количества фосфолипидов, It
	митохондрии	микро-сомы	ли10- сомы	плазматическая мембрана	ядерная мембрана	мембраны аппарата Гольджи
Кардиолипин	18	1	1	1	4	1
Фосфатидилэтаноламин	35	22	14	23	13	20
Фосфатидилхолин	40	58	40	39	55	50
Фосфатидилииозитол	5	10	5	8	10	12
Фосфатидилсерин	1	2	2	9	3	6
Фосфатидная кислота	—	1	1	1
Лиэофосфоглицериды 2‘	1 4	11	7	2	3	3
Сфингомиелин	1	1	20	16	3	8
Фосфолипиды	0,175	0,374	0,156	0,672	0,500	0,825
Холестерол	0,003	0,014	0,038	0,128	0,038	0,078

 

Таблица 2 Белковый и липидиый состав некоторых мембран животных и бактериальных клеток. Л/Б — отношение липка/белок»

 

Белковый состав мембраны зависит в какой-то степени от метода ее выделения. Некоторые белки непрочно связаны с мембраной и легко удаляются при промывании ее растворами с высокой или, напротив, с низкой ионной силой, щелочными растворами или растворами, содержащими хелатирующие агенты типа ЭДТА. Бывают и случаи, когда трудно сказать, является ли белок мембранным или цитоплазматическим, случайно связавшимся с мембраной в ходе ее выделения.

 

1. МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ

 

Наиболее поражает в мембранных липидах их огромное разнообразие. Причины этого пока не ясны, хотя становится все более очевидно, что, по-видимому, связано это с тем разнообразием функций, которые липиды выполняют в мембранах. Но, конечно, главная функция мембранных липидов состоит в том, что они формируют бислойный матрикс, с которым взаимодействуют белки. Основные классы липидов представлены на рис. 1.8; их краткое описание дано ниже.

Глицерофосфолипиды

Это наиболее распространенные липиды. Одна из гидроксильных групп глицерола связана с полярной группировкой, содержащей фосфат, а две другие — с гидрофобными остатками. Номенклатура гли-церидов основана на системе стереоспецифической нумерации. Если глицерол изобразить в проекции Фишера, так что центральная группа будет расположена слева, то атомы углерода будут нумероваться так, как показано на рис. В этом случае в название глицерофосфолипида вводят приставку sn для обозначения положения заместителя. В литературе встречается несколько систем стереохимических обозначений: sn

, D/L и R/S. На рис. представлена стереохимия атома С-2 в этих трех системах. Природные фосфолипиды.

У большинства фосфоглицеридов фосфатная группа находится в ял-3-положении глицерола; она обычно связана с какой-либо из групп, представленных на рис.

 

 

Длинные углеводородные цепи, находящиеся в положениях sn— и sn-2, могут присоединяться за счет сложноэфирной и простой эфирной связей. Эти цепи значительно различаются по длине, раз-ветвленности и степени ненасыщенности.

1. 1,2-диацилфосфоглицериды или фосфолипиды.

Эти липиды, являющиеся сложными эфирами жирных кислот и глицерола, широко представлены во многих мембранах эукариотических и прокарио-тических клеток, за исключением архебактерий. Фосфатидил-холин является основным компонентом мембран животных клеток, а фосфатидилэтаноламин — это нередко основной липид бактериальных мембран. В табл. представлен ряд жирных кислот, наиболее часто встречающихся в составе фосфолипидов, а в табл. приведен жирнокислотный состав клеточных мембран печени крысы.

 

 

Жирные кислоты почти всегда содержат четное число атомов углерода в пределах от 14 до 24. Наиболее распространены кислоты С16, С18 и С20. Степень ненасыщенности может быть разной, но чаще всего встречаются ненасыщенные кислоты 18:1, 18:2, 18:3 и 20:4. Здесь первое число обозначает длину ацильной цепи, а второе указывает на число содержащихся в ней двойных связей. Почти все природные кислоты характеризуются г/ис-конфигурацией двойных связей. Цепь в такой конфигурации имеет излом, что нарушает упаковку липидных молекул в бислое. В составе молекул многих фосфолипидов имеется одна насыщенная и одна ненасыщенная цепи. В случае животных клеток ненасыщенные цепи обычно находятся в

5и-2-положении глицерола. Такое же распределение цепей характерно и для фосфолипидов клеток Е. coli. Двойные связи в полиненасыщенных цепях обычно являются несопряженными. В фосфолипидах некоторых бактериальных мембран обнаружены разветвленные цепи, а также цепи, содержащие циклы, и гидроксильные группы в /3-положении. На рис. 1.11 показана структура некоторых из этих кислот.

2. У архебактерий глицерофосфолипиды имеют обращенную сте-реохимическую конфигурацию, при которой фосфорильные группы находятся в sn—-положении глицерола. У многих бактерий этого вида гидрофобные компоненты представляют собой не сложные эфиры жирных кислот, а простые изопранильные эфиры глицерола.

Кардиолипины или дифосфатидилглицеролы. По сути это димерные формы фосфолипидов. Они содержатся в боль шом количестве во внутренней мембране митохондрий, в мембране хлоропластов и в некоторых бактериальных мембранах, но редко встречаются в других мембранах.

 

 

4. Плазмалогены. Это фосфоглицеролипиды, у которых одна из углеводородных цепей представляет собой простой виниловый эфир. Этаноламиновые плазмалогены широко представлены в миелине и в саркоплазматическом ретикулуме сердца.

Фосфосфинголипиды

Эти липиды имеют такие же полярные головки, как и глицерофосфолипиды, но их гидрофобная часть представлена церамидом. В плазматических мембранах животных клеток широко распространен сфингомиелин. Основными жирнокислотными компонентами в миелине являются кислоты 24:1 и 24:0. В мембранах растительных и бактериальных клеток фосфосфинголипиды встречаются редко. Кроме сфингомиелина известны и другие фосфосфинголипиды, например церамид-1-фосфорилэтаноламин, церамид-1-фосфорилинози-тол и церамид-1-фосфорилглицерол.

Гликоглицеролипиды

Это полярные липиды, у которых в м-З-положении глицерола находится углевод, присоединенный с помощью гликозидной связи, например галактоза. Гликоглицеролипиды широко представлены в мембранах хлоропластов, они обнаружены также в заметных количествах в сине-зеленых водорослях и бактериях. Моногалактозилдиа-цилглицерол был назван «наиболее распространенным в природе полярным липидом», поскольку на его долю приходится половина всех липидов тилакоидной мембраны хлоропластов. Для мембран грамположительных бактерий характерны гликоглице-

 

 

ролипиды с большим разнообразием Сахаров. Архебактерии также содержат такие липиды, но, как и в случае глицерофосфолипидов, их стереохимическая конфигурация является обращенной, с локализацией гликозидной связи в sn—l-положении глицерола. В мембранах животных клеток гликоглицеролипиды встречаются редко.

 

Гликосфинголипиды

классифицируют в соответствии с размером углеводной части, которая может быть представлена всего лишь одним моносахаридным остатком, с одной стороны, и очень сложным углеводным полимером — с другой. Моногликозилцерамиды обычно называют цереброзидами. Ганглиозиды представляют собой класс анионных гликосфинголипидов, которые содержат один или несколько остатков сиаловой кислоты, связанных с сахарными остатками церамидолигосахарида. Глобозидами называют нейтральные гликосфинголипиды, которые не содержат остатков отрицательно заряженной сиаловой кислоты.

Гликосфинголипиды находятся на наружной поверхности плазматических мембран животных клеток; обычно они являются минорными компонентами, но иногда содержатся в значительных количествах. Моногалактозилцерамид — это один из основных компонентов миелиновой оболочки нервного волокна. В некоторых случаях гликосфинголипиды локализуются не в плазматической мембране, а во внутриклеточных мембранах.

Гликосфинголипиды мембран эритроцитов несут антигены группы крови. В клетках аденокарциномы человека накапливаются необычные фукозилированные гликосфинголипиды, которые можно использовать для обнаружения этих клеток и контроля за развитием опухоли.

Стеролы

Эти липиды присутствуют во многих мембранах растений, животных и микробов. По-видимому, самым распространенным из сте-ролов является холестерол. Его молекула состоит из компактного, жесткого гидрофобного ядра, а полярной головкой является гидро-ксильная группа. Холестерол содержится в плазматических мембранах животных клеток, в лизосомах, эндосомах и в мембранах аппарата Гольджи. Он составляет около 30% всей массы мембранных липидов во многих плазматических мембранах животных клеток. В высших растениях обнаружены другие стеролы, чаще всего ситостерол и стигмастерол. Растительные стеролы часто имеют еще одну боковую цепь в положении С-24 и/или двойную связь в положении С-22. В мембранах дрожжей и дру-

 

 

гих эукариотических микроорганизмов часто содержится эргостерол. К классу стеролоподобных липидов относят также гопанои-ды, которые найдены в бактериях и некоторых растениях.

Минорные компоненты

В мембранах присутствуют также и другие липиды, которые можно отнести к разряду минорных компонентов вследствие их малого содержания в мембранах. Так, в мембранах обычно обнаруживаются, хотя и в очень малых количествах, свободные жирные кислоты и лизофосфолипиды. Пожалуй, исключением из этого правила являются мембраны хромаффинных гранул, которые, как известно, содержат необычно много свободных жирных кислот. Минорными компонентами мембран являются также моноацил- и диацилглице-ролы. Диацилглицеролы выполняют важную функцию вторых посредников в передаче сигнала при активации клеток рядом биологически активных веществ. Эта система клеточного отклика на внешний стимул будет детально рассмотрена в гл. 9. В мембранах обычно присутствуют и полиизопреноидные липиды. К ним относятся уби-хиноны и менахиноны — компоненты цепи электронного транспорта в мембранах. Можно отметить также ундекапренол и долихол, которые являются липидными переносчиками промежуточных продуктов соответственно при биосинтезе клеточной стенки у прокариот и при биосинтезе гликопротеинов в аппарате Гольджи эукариот. Длина молекул этих липидов в вытянутом состоянии значительно превышает толщину бислоя, поэтому неизвестно, как эти молекулы в нем расположены. Неясно также, почему липидными переносчиками служат именно полиизопреноидные структуры.

 

2. МНОГООБРАЗИЕ ФУНКЦИЙ МЕМБРАННЫХ ЛИПИДОВ

 

Совершенно очевидно, что липидный состав различных мембран не является случайным, однако удовлетворительного объяснения этому феномену не найдено. Любая конкретная мембрана может содержать более ста разных типов липидных молекул. Почему их так много и почему каждая мембрана имеет уникальный липидный состав? Пути биосинтеза мембранных липидов и механизмы их доставки к местам назначения обсуждаются в разд. 10.4. Становится все более очевидным, что липиды активно участвуют в процессах, протекающих в мембранах, однако причины их разнообразия неясны. Рассмотрим некоторые факторы, возможно, определяющие липидный состав мембраны.

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.

4.Некоторые липиды участвуют в реакциях биосинтеза. Например, в клетках Е. coli фосфатидилглицерол поставляет глицерофосфатный фрагмент при биосинтезе периплазматических олигосахари-дов.

5.Отдельные липиды необходимы для поддержания оптимальной активности ряда ферментов. Этот вопрос рассматривается в гл. 6.

6.Ганглиозиды, как полагают, играют важную роль в регуляции роста клеток, являются специфическими рецепторами в плазматической мембране и ответственны за клеточную адгезию.

Как было показано экспериментально, организмы часто могут выдерживать — причем без всяких последствий — существенные изменения липидного состава мембран. Например, с помощью генетической трансформации можно получить штаммы Е. coli, в мембранах которых содержится 34% фосфатидной кислоты, обычно отсутствующей в штаммах дикого типа. Очевидно, тот липидный состав, который характерен для штаммов дикого типа, не является обязательным для выживания клеток, по крайней мере, в условиях их выращивания в лаборатории.

 

3. МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ

 

Как видно из табл. 1.3 и 1.4, мембраны содержат от 20 до 80% белка. Как правило, именно белки ответственны за функциональную активность мембран. К ним относятся разнообразные ферменты, транспортные белки, рецепторы, каналы, поры и т. д., которые обеспечивают уникальность функций каждой мембраны. Первые успехи в изучении мембранных белков были достигнуты тогда, когда биохимики научились использовать детергенты для выделения мембранных белков в функционально активной форме. Это были работы по изучению ферментных комплексов внутренней мембраны митохондрий. Значительным шагом вперед было осознание того, что мембранные белки имеют не исключительно /3-складчатую структуру, как предполагалось в модели «элементарной мембраны» Дэвсона—Даниелли—Робертсона, а содержат достаточно много а-спиралей. Важное значение имел также вывод о том, что мембранные белки могут глубоко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его и что их стабилизация осуществляется за счет гидрофобных взаимодействий. Эти термодинамические представления существенно обогатили принцип «гидрофобных сил», предложенный для объяснения структуры белков и предполагавший существование неполярной, гидрофобной области внутри белковой глобулы и полярных, гидрофильных участков, контактирующих с водной средой.

По мере совершенствования методов очистки удавалось получать в изолированном виде все большее число мембранных белков. Определение первичной структуры большинства из них было затруднено из-за плохой растворимости в воде как самих белков, так и получаемых из них гидрофобных пептидов. В середине 1970-х гг. эта проблема была решена для двух мембранных белков — гликофорина и цитохрома bs, что позволило установить основной принцип структурной организации интегральных белков. В аминокислотной последовательности гликофорина — сиалогликопротеина из мембраны эритроцитов — был обнаружен короткий участок, состоящий из 23 неполярных аминокислот и расположенный примерно в середине цепи. Данные топологических и других исследований показали, что молекула гликофорина полностью пронизывает мембрану, причем погруженный в мембрану гидрофобный участок имеет а-спиральную конфигурацию. Так вошла в жизнь новая, теперь уже общепризнанная концепция о наличии в мембранных белках а-спиральных доменов, пронизывающих мембрану. Эта концепция была полностью подтверждена при изучении трансмембранных белков с помощью методов, которые позволяют получить максимально возможное в наше время разрешение. Судя по результатам реконструкции электронно-микроскопических изображений препаратов бактериородопсина из пурпурной мембраны Halobacterium halobium и по данным рентгеноструктурного исследования фотосинтетических реакционных центров бактерий, эти белки содержат несколько а-спиральных участков, последовательно пересекающих бнслой.

Другой вариант расположения полипептидной цепи в мембране был обнаружен при изучении аминокислотной последовательности интактной формы микросомного цитохрома bi. Было показано, что этот белок содержит относительно короткий участок вблизи карбоксильного конца, состоящий из гидрофобных аминокислот. Этот «гидрофобный якорь» можно было удалить с помощью протеолиза, причем гемсвязывающий домен высвобождался в водорастворимой форме. Локализованный в мембране гидрофобный домен, или «якорь», стал еще одним характерным элементом структуры мембранных белков.

В основе современных представлений о структуре мембранных белков лежит идея о том, что их полипептидная цепь уложена так, чтобы образовалась неполярная, гидрофобная поверхность, контактирующая с неполярной областью липидного бислоя. Полярные или заряженные домены белковой молекулы могут вазимодействовать с полярными головками липидов на поверхности бислоя. Многие мембранные белки являются трансмембранными и пронизывают бислой. Некоторые белки, по-видимому, связаны с мембраной лишь за счет их взаимодействия с другими белками.

Мембранные белки обычно связываются с мембраной с помощью нековалентных взаимодействий — гидрофобных или электростатических сил. Однако есть мембранные белки, которые связаны с липидами ковалентно. Такие примеры пока немногочисленны, но их появляется все больше. Многие белки плазматических мембран растительных и животных клеток относятся к классу гликопротеинов. Углеводные остатки этих белков всегда находятся с наружной стороны плазматической мембраны.

Обычно мембранные белки подразделяют на наружные и внутренние. При этом критерием служит степень жесткости обработки, необходимой для извлечения этих белков из мембраны. Периферические белки высвобождаются при промывании мембран буферными растворами с низкой ионной силой, буферными растворами с низким или, наоборот, высоким значением рН и в присутствии хелатирующих агентов, связывающих двухвалентные катионы. Как полагают, такие белки связаны с поверхностью мембраны за счет слабых электростатических взаимодействий с полярными головками липидных молекул либо с молекулами других белков. Часто бывает нелегко отличить периферические мембранные белки от белков, связавшихся с мембраной в процессе ее выделения. При обработке мембранного препарата буфером с низкой ионной силой в раствор переходит около 30% белков, связанных с мембраной эритроцитов. При несколько более жесткой обработке хаотропными агентами высвобождаются периферические белки. В ряде случаев эти агенты оказывают влияние достаточно сильное, чтобы разрушить белок-белковые взаимодействия, хотя денатурации белков при этом не происходит. Действие хаотропных агентов, «нарушающих структуру воды», обусловлено главным образом ослаблением гидрофобных взаимодействий между компонентами мембраны.

Для высвобождения интегральных мембранных белков необходимо использовать детергенты или даже органические растворители. Детергенты разрушают липидный бислой и, как полагают, связываются с гидрофобными участками мембранных белков, контактирующими с гидрофобной областью бислоя. Для того чтобы сохранить интегральные мембранные белки в растворенном монодисперсном состоянии, в растворе постоянно должны присутствовать детергенты. При удалении детергентов неизбежно происходят агрегация белков и их последующее осаждение. Дальнейшая информация о взаимодействиях между белками и детергентами, а также о структуре и свойствах мембранных белков содержится в гл. 3.

 

Резюме

 

Методы дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии сыграли историческую роль в развитии мембранологии и внесли решающий вклад в современные представления о биологических мембранах. Сегодня не вызывает сомнений, что липидный бислой образует структурную основу практически всех биологических мембран и что их функциональное многообразие основано именно на этом структурном единстве различных мембранных систем. Каждая отдельно взятая мембрана содержит большое число различающихся по своим химическим свойствам липидов. Причины этого разнообразия неясны, хотя появляется все больше данных об уникальных биологических функциях отдельных липидов. На долю белков приходится от 20 до 80% массы мембран. Многие из этих белков полностью пронизывают липидный бислой, и их удается солюбилизировать только с помощью детергентов. Другие мембранные белки, называемые периферическими, легкое извлекаются из мембраны с помощью буферных растворов с изменяющимися рН или ионной силой либо при удалении двухвалентных катионов с помощью хелатирующих агентов.

В настоящее время разработаны методы выделения и характеристики индивидуальных мембран из клеток прокариот, из животных и в меньшей степени из растительных клеток. Разделение чаще всего основано на различиях в размере и плотности мембранных частиц, содержащихся в гомогенате разрушенных клеток. Можно также использоать различия в поверхностных свойствах мембран или в их электрофоретическом поведении. Выделение и очистка мембран — первый и обязательный этап в их биохимическом исследовании.

 

znakka4estva.ru

Химический состав мембран

Важным компонентом биомембран является вода. Особенности взаимодействия основных молекулярных компонентов мембран с водой определяют не только многие структурно-функциональные свойства мембран, но и являются решающими в процессе формирования самих мембран и стабилизации мембранных систем. Воду, входящую в состав мембран, подразделяют на связанную, свободную и захваченную.

Мембраны состоят из липидных и белковых молекул, относительное количество которых варьирует (от 1/5 — белок + 4/5 — липиды до 3/4 — белок + 1/4 – липиды) у разных мембран. Например, миелиновая оболочка (рис.3 ) состоит из 18% белков и 76 % липидов, внутренняя мембрана митохондрий содержит 76% белков и 24% липидов, а мембрана эритроцитов человека содержит  44% белков и 43% липидов.

Углеводы содержатся в форме гликопротеинов, гликолипидов и составляют 0,5-10% вещества мембраны.

Липиды представлены  фосфо- и гликолипидами и холестерином.

          Липиды мембран образуют двухслойную структуру, в формировании которой участвуют фосфо- и гликолипиды.

Липиды мембран имеют в структуре две различные части: неполярный гидрофобный «хвост» и полярную гидрофильную «голову». Такую двойственную природу соединений называют амфифильной .

Гидрофильной группой фосфолипида является фосфатный остаток с присоединенным к нему холином, этаноламином или серином. Гидрофобную часть липидов составляют углеводородные цепи жирных кислот (ацильные группы), различающихся по длине и степени ненасыщенности  Строение ацильной группы липида влияет на свойства мембраны.

Гликолипиды построены на основе аминоспирта сфингозина. Гидрофильная группа гликолипидов представлена углеводным остатком, присоединенным гликозидной связью к гидроксильной группе сфингозина. В зависимости от длины углеводной части различают цереброзиды (моносахаридный остаток) и ганглиозиды (сложный олигосахарид).

Белки мембран включены в липидный двойной слой двумя способами:

1. связаны с гидрофильной поверхностью липидного бислоя – поверхностные или периферические  мембранные белки

2. погружены в гидрофобную область бислоя — интегральные мембранные белки.

Поверхностные белки своими гидрофильными радикалами аминокислот связаны нековалентными связями с гидрофильными группами липидного бислоя.

Интегральные белки различаются по степени погруженности в гидрофобную часть бислоя. Они могут располагаться по обеим сторонам мембраны и либо частично погружаются в мембрану, либо прошивают мембрану насквозь. Погруженная часть интегральных белков содержит большое количество аминокислот с гидрофобными радикалами, которые обеспечивают гидрофобное взаимодействие с липидами мембран. Гидрофобные взаимодействия поддерживают определенную ориентацию белков в мембране. Гидрофильная выступающая часть белка не может переместиться в гидрофобный слой. Часть мембранных белков ковалентно связаны с моносахаридными остатками или олигосахаридными цепями и представляют собой гликопротеины.

            В функциональном отношении мембранные белки подразделяются на ферментативные, транспортные и регуляторные. Выделяют также структурные белки, которые выполняют  в основном «опорно-строительные» функции.

biohimist.ru

Состав мембранных липидов — Справочник химика 21

    Все липиды, входя1цие в состав мембран, осаждаются одновременно с самими мембранами и присутствуют в препаратах зеленых белков. По происхождению 95 % их являются хлоро-пластными (2.3). Что касается глицеролипидов, то они входят [c.251]

    Все клетки, даже самые простые, имеют мембраны. Мембраны отделяют внутреннее содержимое клетки от окружающей среды, поэтому нарушение целостности мембраны приводит к гибели клетки. Мембраны не только сохраняют молекулы веществ, входящих в ее состав, но и реализуют специфику химического состава клеточной цитоплазмы. С помощью специальных устройств мембрана избирательно выбрасывает из клетки ненужные вещества и поглощает из окружающей среды необходимые. Главные компоненты биологических мембран живых организмов — это сложные липиды. Следует обратить внимание на то, что все сложные липиды, описанные в разд. 9, имеют характерное строение для поверхностно-активных веществ, т. е. две большие неполярные углеводородные группы и полярную часть, способную к образованию водородных связей. Таким образом, эти молекулы способны самопроизвольно агрегировать, образуя в воде бислойные структуры, составляющие основу мембраны. В состав мембранного бислоя входят и молекулы белков, и свободные жирные кислоты. Последние встраиваются в бислой так, что их жирные хвосты погружены внутрь, а полярные группы во внешнюю среду и контактируют с ионами натрия с внешней, а с ионами калия с внутренней стороны бислоя (см. рис. 73). Биологические мембраны не только регулируют обмен веществ в клетке, но и воспринимают химическую информацию из внешней среды с помощью специальных рецепторов. Биологические мембраны обеспечивают иммунитет клетки, нейтрализуя чужие и свои вредные вещества. Они также способны передавать информацию соседним клеткам о своем состоянии. Наконец, совсем недавно было обнаружено, что многие белки-ферменты могут работать только внутри мембраны, запрещая, разрешая или сопрягая ферментативные процессы. [c.407]

    О липидах, входящих в состав мембран, известно, что это не чистые жиры, вроде растительных масел или сливочного масла, а так называемые фосфатиды. Это значит, что в молекулах этих липидов содержится фосфорная кислота (наряду с определенными азотсодержащими соединениями типа холина или коламина — нет никакой нужды приводить здесь их формулы). К фосфатидам относится и всем хорошо знакомый лецитин. [c.208]

    Фосфолипиды являются структурными компонентами клетки и, входя в состав различных мембран, в том числе и цитоплазматической, играют существенную роль в характере ее проницаемости. Входящие в состав митохондрий липиды также почти целиком представлены фосфолипидами. Предполагается, что они ответственны за структуру и пространственное расположение ферментов дыхательной цепи и принимают активное частие в переносе электронов. [c.317]

    Состав мембранных липидов [c.12]

    Жизнедеятельность клетки и есть существование мембран. Возможно, именно с появлением мембран связано возникновение жизни. Состав мембран постоянно обновляется у белков в течение 2-6 дней, липидов — в течение 1-2 дней. Но несмотря на непрерывное обновление мембранных компонентов, их структурная организация в течение жизни клетки остается постоянной. [c.108]

    Какие группы липидов входят в состав мембран микроорганизмов  [c.45]

    Состав и строение биологических мембран. Биологические мембраны состоят из белков и липидов. Углеводы присутствуют лишь в качестве составных частей сложных белков (гликопротеинов) и сложных липидов (гликолипидов). Нуклеиновые кислоты в небольшом количестве бывают ассоциированы с мембранами, но в состав мембранных структур не включаются. Вода составляет 20% от мембранного материала, а отношение белок/липид в зависимости от вида мембран колеблется от 0,25 (клетки миелиновой оболочки) до 3,0 (митохондриальные мембраны). [c.298]

    Существование клетки как целостной системы, существование функциональных клеточных органоидов требует компартмента-лизации, пространственного разграничения этих систем мембранами, характеризуемыми регулируемой проницаемостью. Белки-ферменты, входящие в состав мембран в комплексах с липидами, обеспечивают активный транспорт метаболитов в клетку и из нее, идущий в направлении, противоположном градиенту концентрации. Эта функция белков тесно связана с механохимиче-ской. Кроме того, белки катализируют метаболические биоэнергетические процессы, протекающие в мембранах. Так, ферменты митохондрий, локализованные в мембранах, ответственны за биохимические процессы, связанные с дыханием, за механические движения митохондрий, за активный транспорт. [c.176]

    Химический состав мембран. ЦПМ — белково-липидный комплекс, в котором белки составляют 50—75%, липи

www.chem21.info

Химический состав клеточных мембран.

ТОП 10:

В состав клеточных мембран входят: Липиды и Белки, а также Углеводы(небольшая, но чрезвычайно важная часть) и вода (более 20% общего веса). Липиды. В составе К.м. обнаружены липиды трех классов: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды. В мембранах животных клеток более 50% всех липидов составляют фосфолипиды — глицерофосфолипиды (фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит) и сфингофосфолипиды (производные церамида, сфингомиелин). Гликолипиды представлены цереброзидами, сульфатидами и ганглиозидами, а стероиды — в основном холестерином (около 30%). В липидных компонентах К.м. содержатся разнообразные жирные кислоты, однако в мембранах животных клеток преобладают пальмитиновая, олеиновая и стеариновая кислоты. Холестерин в составе К.м. играет роль модификатора бислоя, придавая ему определенную жесткость за счет увеличения плотности «упаковки» молекул фосфолипидов. Белки клеточных мембран исключительно разнообразны. Молекулярная масса их в большинстве своем составляет 25 000 — 230 000. Белки могут взаимодействовать с липидным бислоем за счет электростатических и (или) межмолекулярных сил. Они сравнительно легко могут быть удалены из мембраны. К такому типу белков относят цитохром с (молекулярная масса около 13 000), обнаруживаемый на наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий. Белки мембран выполняют три основные функции: каталитическую (ферменты), рецепторную и структурную. Однако такое разграничение достаточно условно, и в ряде случаев один и тот же белок может выполнять и репепторную и ферментную функции (например, инсулин). Число мембранных ферментов (Ферменты) в клетке достаточно велико, однако их распределение в различных типах К.м. неодинаково. Некоторые ферменты (маркерные) присутствуют только в мембранах определенного типа (например, Na, К-АТФ-аза, 5-нуклеотидаза, аденилатциклаза — в плазматической мембране; цитохром Р-450, НАДФН-дегидрогеназа, цитохром в5 — в мембранах эндоплазматического ретикулума;моноаминоксидаза — в наружной мембране митохондрий, а цитохром С-оксидаза, сукцинат-дегидрогеназа — во внутренней; кислая фосфатаза — в мембране лизосом). Рецепторные белки, специфически связывая низкомолекулярные вещества (многие гормоны, медиаторы), обратимо меняют свою форму. Эти изменения запускают внутри клетки ответные химические реакции. Таким способом клетка принимает различные сигналы, поступающие из внешней среды. К структурным белкам относят белки цитоскелета, прилегающие к цитоплазматической стороне клеточной мембраны. В комплексе с микротрубочками и микрофиламентами цитоскелета они обеспечивают противодействие клетки изменению ее объема и создают эластичность. В эту же группу включают ряд мембранных белков, функции которых не установлены. Углеводы в клеточных мембранах находятся в соединении с белками (гликопротеины) и липидами (гликолипиды). Углеводные цепи белков представляют собой олиго- или полисахаридные структуры, в состав которых входят глюкоза, галактоза, нейраминовая кислота, фукоза и манноза. Углеводные компоненты К.м. открываются в основном во внеклеточную среду, образуя на поверхности клеточных мембран множество ветвистых образований, являющихся фрагментами гликолипидов или гликопротеидов. Их функции связаны с контролем за межклеточным взаимодействием, поддержанием иммунного статуса клетки, обеспечением стабильности белковых молекул в К.м. Многие рецепторные белки содержат углеводные компоненты. Примером могут служить антигенные детерминанты групп крови, представленные гликолипидами и гликопротеинами. 47.мембранный транспорт Мембранный транспрт может осуществляться разными путями. Большое значение имеет направление транспорта веществ по градиенту концентрации, т. е. от большей концентрации веществ к меньшей, или против него. Транспорт вещества в сторону меньшей концентрации носит название диффузии (если на его пути нет преград) и переноса (если его путь преграждает барьер). Транспорт может быть облегченным, если ему способствует какой-нибудь переносчик или система переносчиков. В некоторых случаях пассивный транспорт прост. Например, если вещества хорошо растворимы в жирах, то они передвигаются через мембрану по обычным законам диффузии. Или вода, свободно протекающая через мембранные поры, может захватить и перенести одну или несколько молекул растворенных веществ, способных пройти через пору. Другое дело, если вещества нерастворимы в жирах и не проходят через поры. Были выделены особые белки, делающие мембраны проницаемыми для сахаров и других водорастворимых веществ. Специальные белки-переносчики , соединяясь с транспортируемыми молекулами, протаскивают их через мембраны, сами в них не растворяясь. Убедительный довод существования переносчиков был получен при изучении проникновения глюкозы внутрь эритроцитов. Погрузив «перевозимые» молекулы,переносчики глюкозы транспортируют их через мембраны и возвращаются либо пустыми, либо захватив других «пассажиров». Имеются переносчики, которые не совершают челночных движений, а встраиваются в мембрану и образуют канал. Роль таких переносчиков могут выполнять некоторые антибиотики или белки мембраны. Исследование переноса лактозы показало, что соответствующий транспортный белок, встроенный в мембрану, работает по принципу фермента и связывает сахар аналогично тому, как фермент связывает свой субстрат. Такие белки часто называют пермеазами . Каждый из них обеспечивает перенос определенных молекул. Транспортные белки не вращаются в двойном липидном слое, а обеспечивают перенос, изменяя свою конформацию, в результате чего в мембране открываются » ворота», или каналы . Установлено, что транспортные белки отвечают за перенос сахаров, аминокислот, ионов натрия, калия, кальция и других веществ. 

infopedia.su

Каков химический состав мембран? Функциональная роль компонентов мембран.

Поделись с друзьями

Мембраны состоят из липидных и белковых молекул, относительное количество которых у разных мембран широко колеблется. Углеводы содержатся в форме гликопротеинов, гликолипидов и составляют 0,5%-10% веществ мембраны. Согласно жидкостно-мозаичной модели строения мембраны.) основу мембраны составляет двойной липидный слой, в формировании которого участвуют фосфолипиды и гликолипиды. Липидный бислой образован двумя рядами липидов, гидрофобные радикалы которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы обращены наружу и контактируют с водной средой. Белковые молекулы как бы растворены в липидном бислое и относительно свободно «плавают в липидном море в виде айсбергов на которых растут деревья гликокаликса.

Фосфотидилглицерин — наиболее распространенный представитель фосфолипидов он присутствует в мембранах всех живых организмов и является производным фосфатидной кислоты. В основном это кислоты с длиной углеродной цепи 12-24 атома, либо полностью насыщенные либо имеющие одну или несколько несопряженных двойных связей. В структуре фосфолипидов заложена важная функциональная особенность: содержание длинной гидрофобной цепи и гидрофильной «головки» из фосфатидной кислоты.

Сфингомиелины являются производными аминоспирта сфингозина. Они характерны только для мембран животных клеток.Наряду с этими компонентами мембраны содержат белки и связанные с ними углеводы.Мембраны представляют собой плоские образования толщиной в несколько молекул (60-100 Å). Основу составляет липидный бислой, где гидрофильные головки обращены к воде внутри и снаружи клетки, а гидрофобные хвосты из жирных кислот как бы выталкиваются из воды и сливаются между собой  внутри мембраны (рис. 4.7.1.). Отдельные участки мембраны, липиды которых содержат больше насыщенных ЖК находятся в жестком состоянии, другие, где содержится больше ненасыщенных ЖК, в более расплавленном.  Между ацилными цепями липидного бислоя содержится холестерол, он препятствует их кристаллизации, т.е. поддерживает состояние текучести.Мембрана не статическое образование, а благодаря жидкокристаллической структуре она является двухслойным раствором, в котором липиды способны диффундировать как параллельно поверхности мембраны, так и из одного монослоя в другой.

students-library.com

Состав биологических мембран — стр. 2

2.1.2 Состав биологических мембран

В состав биологических мембран входят представители трех классов веществ, обмен которых составляет основу метаболизма: это белки, липиды и углеводы. В весовом отношении белки составляют 40–60%, согласно некоторым данным от 20% до 80%, остальное приходится на долю липидов. [2, 3, 4]

Несмотря на многообразие биомембран основные принципы структурной организации всех мембран животного, растительного и бактериального происхождения одинаковы. Согласно получившей широкое признание «жидкостно-мозаичной» модели, первоначально предложенной в 1972 году Сингером и Николсоном [6], биомембрана представляется как текучий фосфолипидный бислой, в который погружены белки (рис. 1 а). Впоследствии стало, однако, очевидным, что молекулярная организация мембран гораздо сложнее, чем это следует из жидкомозаичной модели. В частности, показано, что не все мембранные белки свободно диффундируют в жидком липидном бислое [3, 4]. Некоторые участки мембран отличаются по своей структуре от классического липидного бислоя вследствие липидного полиморфизма. В пределах одной мембраны могут соседствовать участки с разным липидным составом и функциями [5, 8, 9]. В настоящее время считают, что сложная динамическая структура биомембран, для которой характерны искривления, фазовые переходы, вариации толщины, образование небислойных структур, определяется специфическими взаимодействиями мембранных белков с липидами [4, 8, 9]. Такие взаимодействия во многом обеспечивают эффективное выполнение мембранами разнообразных клеточных функций, возникающих в ходе метаболизма. Проиллюстрировать динамические свойства биомембран можно на примере «метаморфно-мозаичной» модели [5], включающей в себя основные мембранные процессы (рис. 1 б).

Мембранные липиды

Липиды клеточных структур эукариотических клеток представлены тремя основными группами: фосфолипиды, гликолипиды и стероиды.

Липиды — фосфолипиды, гликолипиды, холестерин — составляют костяк мембраны и ответственны за целостность мембранной структуры. [2, 3]

Оказавшись в водном растворе, фосфолипиды ведут себя сходным образом: проявляют стремление создать ансамбли из множества молекул липидов.

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. 1).

Чтобы подчеркнуть различное отношение к воде и к маслу, головки называют гидрофильными, а хвосты – липофильными. Соответственно липиды, молекулы которых содержат как гидрофильную, так и липофильную группировку, называют амфифильными веществами (или амфипатическими). [10]

Липидная мицелла с суммарным отрицательным зарядом будет не безразлична к солевому составу окружающей ее среды. На поверхности раздела между водой и липидом создается разность потенциалов.

Если к водной среде добавить поваренную соль (хлористый натрий), то положительно заряженные ионы натрия (Na⁺) будут связываться поверхностью мембраны, а отрицательно заряженные ионы хлора (Cl^—) – отталкиваться в водную фазу. Обычно приповерхностную область разделяют на 2 части – ближайшую к поверхности липида, в которой ионы натрия стабилизированы (там концентрация ионов больше, – сольватация) и внешнюю, диффузную часть, в которой ионы передвигаются более свободно.

Как известно, в воде присутствуют в очень малой степени положительные ионы водорода и отрицательно заряженные гидроксильные группы. Ионы водорода притягиваются отрицательно заряженной поверхностью мицеллы, а гидроксильные группы – отталкиваются в водную фазу. Поэтому кислотность среды вблизи поверхности мицелл отличается от кислотности водного раствора.

И по своим физическим свойствам вода вблизи поверхности мицеллы заметно отличается от обыкновенной воды, например, она не замерзает при 0 ºС.

Таким образом, у поверхности липидов в воде существенно меняются концентрация солей, физические свойства и кислотность среды.

Форма и размеры образуемых липидных ассоциатов зависят от многих факторов:

1) от длины ацильных цепей фосфолипидов,

2) от жирнокислотного состава фосфолипидов,

3) от степени ненасыщенности ацильных цепей фосфолипидов,

4) от структуры полярной части молекул фосфолипидов.

Рассмотрим перечисленные факторы.

1) Упаковка жирнокислотных цепей в мицеллах зависит от длины углеводородной цепи. При малых значениях n (до 16) количество молекул, необходимых для формирования мицеллы, таково, что в ее объеме жирнокислотные цепи располагаются достаточно свободно. Структурную стабильность таких мицелл поддерживают полярные связи. При возрастании длины жирнокислотной цепи плотность упаковки в мицеллах увеличивается быстрее, чем их размер, и внутреннее содержимое мицелл становится более компактным благодаря усилению связей между гидрофобными цепями. Гидрофобные взаимодействия зависят от степени контакта между ацильными цепями – эффективность этих взаимодействий обратно пропорциональна подвижности цепей. Один из важных факторов, регулирующих подвижность,– наличие двойных связей в цепи.

2) Подавляющее большинство природных жирных кислот содержит четное количество атомов углерода. Ранее это связывали с удобствами превращения этих соединений в процессе окисления. Затем было показано, что жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода в цепи также подвергаются окислительным превращениям. Но обращает на себя внимание разная стабильность мицелл, образуемых жирными кислотами с четным и нечетным числом атомов углерода. Об этом говорит величина энергии, которую необходимо сообщить структуре для перевода ее из кристаллического в жидкое состояние.

3) Углеводородные цепи липидных молекул бывают двух видов: насыщенные и ненасыщенные, причем у ненасыщенных цепей может быть одна или несколько двойных связей. Если пленка состоит из смеси насыщенных и ненасыщенных фосфолипидов, то в месте расположения двойных связей нарушится порядок, так как не будет соблюдаться строго параллельное расположение цепей.

Поэтому пленки из смеси липидов, содержащих как насыщенные, так и ненасыщенные цепи при той же температуре являются более жидкими, чем пленки, построенные из липидов, содержащих только насыщенные цепи.

Это явление имеет огромное значение для нормальной работы биологических мембран в живой клетке. Для того, чтобы клетка могла проявлять процессы жизнедеятельности, липиды, входящие в состав ее мембран, обязательно должны находиться в состоянии «жидкой» пленки. Только в этом состоянии может быть обеспечено правильное функционирование мембранных белков и нормальное прохождение различных веществ через мембрану. Было, например, показано, что при замене ненасыщенных липидов на насыщенные в мембранах бактерий скорость прохождения веществ через мембрану падает в 20 раз.

Понятно поэтому, что клетки очень чутко реагируют на изменение температуры, стремясь к тому, чтобы их мембрана постоянно оставалась в «жидком» состоянии. Как только снижается температура окружающей среды, бактерии заменяют насыщенные липиды в своих мембранах на ненасыщенные. Так же ведут себя и клетки растений. Организм человека и теплокровных животных обеспечивает жидкое состояние своих клеточных мембран, поддерживая строго постоянную температуру тела. У некоторых животных это свойство принимает причудливые формы. Например, в ногах пингвина и северного оленя температура падает по мере удаления от корпуса, соответственно мембраны клеток в этих тканях все более обогащаются ненасыщеными жирными кислотами.

4) Способность липидов к самоорганизации (самосборке) зависит, конечно, не только от их углеводородных цепей, но и от природы полярных головок. Головки несут либо отрицательный заряд, либо одновременно отрицательный и положительный заряды, нейтрализующие друг друга. Именно последний тип липидов (нейтральные) преобладает в большинстве клеточных мембран. Это не случайно. Липидам с отрицательно заряженными головками трудно объединяться в агрегаты, так как между головками действуют электростатические силы отталкивания. В случае электронейтральных полярных головок липидные молекулы могут быть упакованы так, чтобы полностью реализовалась выгода гидрофобного взаимодействия неполярных цепей.

В зависимости от размеров полярных областей фосфолипидов возникает асимметрия мембранного бислоя, что является важной особенностью мембран.

Определение отдельных фракций липидов может иметь практическое значение. Например, в работе [11] показано, что определение фракций ФЛ в мембранах тромбоцитов при ишемическом инсульте может быть использовано для оценки степени дестабилизации клеточных мембран в организме больных и в качестве дополнительного критерия оценки тяжести заболевания.

Углеводы мембран

Другой мембранный компонент, углеводы, в составе мембран обнаруживаются лишь в соединении с белками (гликопротеины и протеогликаны) и липидами (гликолипиды). В мембранах гликозилировано около 10% всех белков и от 5 до 26% липидов (в зависимости от объекта). В числе углеводных компонентов – глюкоза, галактоза, нейраминовая кислота, фукоза и манноза.

Часть углеводов представлена свободными олигосахаридами, а часть входит в состав сложных липидов (гликолипиды) или сложных белков (гликопротеины).

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 мембране.

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 антигенные 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. [10]

Мембранные белки – особенности строения

Если липиды – относительно низкомолекулярые соединения с молекулярным весом около 1000 дальтон (1 килодальтон, кДа), то белки относятся к высокомолекулярным соединениям. Их молекулярный вес достигает 1000 кДа и более.

Белковый состав мембран чрезвычайно разнообразен, он в значительной мере определяет свойства мембран и их функциональную активность. Мембранные белки, как правило, почти не отличаются от растворимых по количеству входящих в них гидрофобных аминокислот. Однако эти гидрофобные аминокислоты сгруппированы в мембранных белках в ряд доменов так, что гидрофильных групп пептидной цепи недостает для их маскировки.

Такие белки не активны вне гидрофобного окружения. Мембраны предоставляют им возможность стабилизировать свою структуру и нормально функционировать.

Важный белковый компонент мембраны – гликопротеины – белковые молекулы, содержащие углеводные цепочки.

Периферические белки или домены интегральных белков, расположенные на наружной поверхности мембраны, почти всегда гликозилированы.

Углеводные цепочки гликопротеинов имеют разнообразную структуру. Роль гликопротеинов в жизни клетки многообразна. Некоторые из них играют роль ферментов, другие обладают гормональной активностью. Предполагают, что одна из функций процесса гликозилирования – обеспечить возможность белкам, синтезированным в аппарате Гольджи, транспорта через клеточную мембрану. Гликопротеины, расположенные на поверхности клеток, ответственны за такие важные процессы, как взаимное распознавание клеток – с их помощью клетки многоклеточного организма устанавливают межклеточные контакты. Они, по-видимому, также служат материалом, склеивающим клетки одного типа между собой. Предполагают также, что от структуры гликопротеинов зависят устойчивость и многие другие свойства клеточной поверхности. Гликозилированные белки обладают резистентностью к протеолизу и поэтому имеют большую длительность жизни. Гликопротеины, находящиеся на поверхности эритроцитов, определяют группу крови.

Способы связывания белков с мембраной

Белковая молекула может фиксироваться в бислое с помощью различных типов взаимодействий, включая электростатические (на уровне полярных головок липидов) и гидрофобные (в толще бислоя).

Мембранные белки подразделяют на два типа: периферические и интегральные. Периферические белки отличаются от интегральных меньшей глубиной проникновения в бислой и степенью воздействия на состояние и подвижность углеводородных цепей липидов.

Периферическими называют белки, легко вымываемые из мембран растворами солей или даже дистиллированной водой. Такие белки способны обратимо связываться с бислоем и часто совершают челночные перемещения между мембраной и ее окружением. Некоторые из этих белков связываются непосредственно (или через посредника, в частности, Са²⁺) с заряженными группами липидов мембран за счет электростатических взаимодействий (рис. 2 a). В качестве примеров можно привести миелиновый основный белок [12], спектрин, протеинкиназу С [13], фосфолипазы [14]. Следует отметить предпочтительное связывание таких белков с мембранами определенного липидного состава, так, например, для фосфолипазы А₂ критичным является присутствие в мембране фосфатидилхолиновых липидов [14], а для протеинкиназы С — фосфатидилсериновых [13]. В то же время эти белки могут взаимодействовать с ближней гидрофобной областью бислоя [4, 9]. Существует также ряд белков, адсорбирующихся на мембранных гликолипидах и гликопротеинах посредством углевод-белкового и/или белок-белкового взаимодействия (рис. 2 б) [3, 15]. Этот тип взаимодействий реализуется, например, при связывании F₁-час-ти Н⁺-АТФазы с погруженной в мембрану F₀-частью.

Вторая группа мембранных белков — интегральные, которые связаны с мембраной за счет более прочных гидрофобных взаимодействий. Интегральные белки можно извлечь из мембраны только при разрушении липидного бислоя детергентами или органическими растворителями. Такие белки можно подразделить на внутренние трансмембранные (рис. 2 в и г) и наружные, имеющие гидрофобный якорь (рис. 2 д—ж).

Основная функционально значимая часть молекулы внутреннего трансмембранного белка при встраивании практически полностью погружается в мембрану. Трансмембранные белки различаются числом полипептидных участков, пересекающих би-слой, и могут содержать один (рис. 2 в), как, например, в случае гликофорина [16], или несколько (рис. 2 г) таких участков, что характерно для ЛГФаз, бактериородопсина [17], родопсина [18] и др. Эти участки, как правило, целиком построены из гидро­фобных аминокислот и часто имеют α-спиральную конфигурацию [2, 3].

Многие интегральные белки животного происхождения связываются с плазматическими мембранами клеток за счет гидрофобного якоря, при этом большая часть молекулы гликозилирована и локализуется с наружной стороны мембраны [2, 3, 4]. Некоторые из этих белков крепятся к мембране посредством кова-лентно связанного гликозил-фосфатидилинозитольного (GPI) якоря (рис. 2 ж). Подобный способ связывания реализуется в случае щелочной фосфатазы, 5′-нуклеотидазы, ацетилхолинэстеразы и др. Другие белки взаимодействуют с мембраной за счет трансмембранного пептидного якоря — последовательности гидрофобных аминокислот, расположенной вблизи N- или С-конца молекулы белка. Мембранные белки I типа (рис. 2 д) синтезируются с N-терминальным сигнальным пептидом, отщепляемым в процессе биосинтеза, и С-концевым якорем. В случае белков II типа N-сигнал в процессе биосинтеза не отделяется и выполняет роль трансмембранного якоря (рис. 2 е). Отметим, что для многих белков, встроенных в мембрану с помощью якоря, характерно «слущивание» (shedding) с клеточной поверхности, при котором они выделяются в растворимом виде во внеклеточное окружение, а якорь остается в мембране [19, 20]. Образование растворимых форм происходит в результате ферментативного гидролиза доступного примембранного участка белка-субстрата и описано для разнообразных по структуре и функциям интегральных белков I и II типов (табл. 1) [21, 22].

Ферменты, ответственные за отщепление пептидного якоря этих белков, называют секретазами, конвертазами или шедазами. Большинство из них являются мембранными металлопротеиназами [21, 22] и характеризуются широкой протеолитической специфичностью (табл. 2). Так, например, в случае АПФ, принадлежащего к мембранным белкам I-типа и имеющего якорь с С-конца полипеп­тидной цепи, слущивание происходит под действием специфической металлозависимой секретазы [21].

В то же время существуют и сериновые секретазы (эластаза-подобные), отщепляющие якорь мембранных белков в пределах ограниченной последовательности, состоящей из небольших неполярных аминокислотных остатков [23]. Белки, обладающие GPI-якорем, секретируются с клеточной поверхности при действии фосфолипаз C или D [22].

Таким образом, многие белки могут присутствовать в организме животных как в мембраносвязанной, так и в растворимой циркулирующей формах. Полагают, что свойственный для этих белков баланс форм необходим для их нормального функционирования [22, 24]. Повышение секретазной активности приводит к нарушению этого баланса и наблюдается при патологических состояниях: отеке легких, кахексии, артрите, сепсисе, аутоиммунных заболеваниях, нейродегенерации, онкогенезе и др. [20, 22]. Очевидно, секретазы белков, вовлеченных в различные физиологические и патологические процессы, имеют важное значение и могут рассматриваться как потенциальные мишени при поиске новых лекарственных средств. Важность функций различных секретаз наглядно иллюстрирует пример образования рА4-пептида, являющегося основной причиной болезни Альцгеймера. Этот пептид образуется в процессе расщепления мембраносвязанного предшественника амилоидного белка двумя β- и γ-секретазами (рис. 3), при этом действие других секретаз (в особенности а-секретазы) предотвращает развитие этого заболевания [22, 25].

Биологическая значимость процесса слущивания мембранных белков в значительной степени может быть обусловлена различными свойствами их растворимых и мембра-носвязанных форм in vivo. Прежде всего эти отличия могут быть вызваны особенностями функциониро- вания мембраносвязанных белков, которые мы рассмотрим ниже. Особое внимание при этом будет уделено свойствам ферментов — биокатализаторов превращений разнообразных биологически активных веществ.

Функции мембранных белков

Как правило, именно белки ответственны за функциональную активность мембран. К таким белкам относятся разнообразные ферменты, транспортные белки, рецепторы, каналы, белки, обраующие поры (аквапорины), то есть разнообразные белковые структуры, которые обеспечивают уникальность функций каждой мембраны.

Мембранные белки по биологической роли можно разделить на три группы:

I – белки-ферменты, обладающие каталитической активностью, II – рецепторные белки, специфически связывающие те или иные вещества, III – структурные белки.

Белки-ферменты

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. В дополнение к этому надо учесть, что конформация внедряющихся в мембрану белков зависит от мембранного бислоя, так что и их ферментативная активность контролируется мембранными липидами. Этот контроль может реализоваться благодаря как влиянию на сродство к субстратам или на их доступность, так и воздействию на длительность жизни (прочность) белковых ассоциатов мембранных ферментов, образующихся в клеточной мембране.

Ферменты входят в состав как плазматических, так и внутриклеточных мембран. Например, на наружной мембране эпителиальных клеток, выстилающих пищеварительные органы, имеются ферменты, осуществляющие расщепление питательных веществ еще до того, как они попадут внутрь клетки (этот процесс, открытый отечественным физиологом А.М. Уголевым носит название «мембранное пищеварение»). Наружная мембрана клеток печени содержит более 20 различных ферментов.

Мембранные ферменты нуждаются в контакте с окружающими их липидами. Когда их извлекают из липидного окружения (например, когда липиды экстрагируются из мембраны неполярными растворителями), работа мембранных ферментов нарушается (меняются особенности кинетики или характера влияния посторонних веществ или же вовсе прекращается). Активность таких мембранных ферментов удается частично восстановить, если к ним добавить липидные мицеллы. Анализ природы липидов, активирующих мембранные ферменты, демонстрирует отсутствие строгой специфичности — определяющим является гидрофильно-липофильный коэффициент липидной смеси. В ряде случаев активировать делипидированный фермент удается даже детергентом. Однако такой реактивированный фермент теряет способность воспринимать регулирующие сигналы извне, которые управляли его работой в «живой» мембране.

Активирующее действие липидов на мембранные ферменты может быть по меньшей мере двояким. Во-первых, в присутствии липидов может меняться форма молекулы мембранного фермента, так что его активный центр становится доступным для субстрата.

Во-вторых, липиды могут играть роль организатора ансамбля или конвейера, состоящего из многих ферментов.

Молекулы мембранных ферментов содержат большие неполярные гидрофобные участки. Поэтому в водной среде они агрегируют, из-за чего большая часть активных центров маскируется. В присутствии липидов мембранные ферменты организуются в ансамбли, окруженные аннулярными липидными молекулами, и их ферментативная активность может проявиться в полной мере. Для нормальной работы мембранных ферментов существенно, чтобы окружающие их липиды находились в жидком агрегатном состоянии.

textarchive.ru

Ответы@Mail.Ru: Состав элементарных мембран представлен

Кле́точная мембра́на (также цитолемма, плазмалемма, или плазматическая мембрана) — эластическая молекулярная структура, состоящая из белков и липидов. Отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность; регулирует обмен между клеткой и средой; внутриклеточные мембраны разделяют клетку на специализированные замкнутые отсеки — компартменты или органеллы, в которых поддерживаются определённые условия среды. Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных углеводородных «хвостов», которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку. Важную часть мембраны составляют белки, пронизывающие её и отвечающие за разнообразные свойства мембран. Их состав и ориентация в разных мембранах различаются. Рядом с белками находятся аннулярные липиды — они более упорядочены, менее подвижны, имеют в составе более насыщенные жирные кислоты и выделяются из мембраны вместе с белком. Без аннулярных липидов белки мембраны не работают. Клеточные мембраны часто асимметричны, то есть слои отличаются по составу липидов, в наружном содержатся преимущественно фосфатидилинозитол, фосфатидилхолин, сфингомиелины и гликолипиды, во внутреннем — фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилинозитол. Переход отдельной молекулы из одного слоя в другой (так называемый флип-флоп) затруднён, но может происходить спонтанно, примерно раз в 6 месяцев или с помощью белков-флиппаз и скрамблазы плазматической мембраны. Если в наружном слое появляется фосфатидилсерин, это является сигналом для макрофагов о необходимости уничтожения клетки.

touch.otvet.mail.ru