Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

А. Строение и состав мембран

Биологические мембраны представляют собой «ансамбли» липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалентных взаимодействий.

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 (рис. 5-1).

Рис. 5-1. Поперечный разрез плазматической мембраны

1. Структура и свойства липидов мембран

Мембранные липиды — амфифильные (амфи-патические) молекулы, т.е. в молекуле есть как гидрофильные группы (полярные «головки»), так и алифатические радикалы (гидрофобные «хвосты»), самопроизвольно формирующие бислой. В большинстве эукариотических клеток они составляют около 30-70% массы мембраны (рис. 5-2). В мембранах присутствуют липиды трёх главных типов — фосфолипиды, гликолипиды и холестерол (холестерин).

Рис. 5-2. Содержание липидов и белков в различных клеточных мембранах (%)

Липидный состав мембран различен, содержание того или другого липида, по-видимому, определяется разнообразием функций, выполняемых этими липидами в мембранах.

Фосфолипиды. Все фосфолипиды можно разделить на 2 группы — глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды. Глицерофосфолипиды относят к производным фосфатидной кислоты. Наиболее распространённые глицерофосфолипиды мембран — фосфатидилхолины и фосфатидилэтанол амины (рис. 5-3).

Рис. 5-3. Глицерофосфолипиды мембран

В мембранах эукариотических клеток обнаружено огромное количество разных фосфолипидов, причём они распределены неравномерно по разным клеточным мембранам. Эта неравномерность относится к распределению как полярных «головок» (табл. 5-1), так и ацильных остатков (табл. 5-2).

Таблица 5-1.
Фосфолипидный состав клеточных органелл и плазматической мембраны гепатоцитов

Таблица 5-2.
Жирно-кислотный состав некоторых мембран печени

Каждый глицерофосфолипид, например фосфатидилхолин, представлен несколькими десятками фосфатидилхолинов, отличающихся друг от друга строением жирно-кислотных остатков.

На долю глицерофосфолипидов (полярная группа — инозитол) приходится лишь 2—8% всех фосфолипидов, содержащихся в клеточной мембране эукариотов. Инозитол в составе фосфати-дилинозитолов может быть фосфорилирован по С₄ (фосфатидилинозитол-4-монофосфат) или С₄ и С₅ (фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфат).

В состав фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфатов входят в основном ацильные остатки стеариновой или пальмитиновой (по первому положению глицерола) и арахидоновой (по второму положению) жирных кислот.

Специфические фосфолипиды внутренней мембраны митохондрий — кардиолипины (ди-фосфатидилглицеролы), построенные на основе глицерола и двух остатков фосфатид-ной кислоты. Они синтезируются ферментами внутренней мембраны митохондрий и составляют около 22% от всех фосфолипидов мембраны.

В плазматических мембранах клеток в значительных количествах содержатся сфингомие-лины (рис. 5-4). Сфингомиелины построены на основе церамида — ацилированного амино-спирта сфингозина. Полярная группа состоит из остатка фосфорной кислоты и холина, эта-ноламина или серина. Сфингомиелины — главные липиды миелиновой оболочки нервных волокон.

Рис. 5-4. Сфингофосфолипиды — производные церамида

Гликолипиды. В гликолипидах гидрофобная часть представлена церамидом. Гидрофильная группа — углеводный остаток, присоединённый гликозидной связью к гидроксильной группе у первого углеродного атома церамида (рис. 5-5). В зависимости от длины и строения углеводной части различают цереброзиды, содержащие моно- или олигосахаридный остаток, и гангли-озиды, к ОН-группе которых присоединён сложный, разветвлённый олигосахарид, содержащий N-ацетилнейраминовую кислоту (NANA) (см. раздел 7).

Рис. 5-5. Гликолипиды. Gal — галактоза; Glc— глюкоза; NANA (NeuAc) — N-ацетилнейраминовая или сиаловая кислота

Полярные «головки» гликосфинголипидов находятся на наружной поверхности плазматических мембран. В значительных количествах гликолипиды содержатся в мембранах клеток мозга, эритроцитов, эпителиальных клеток. Ганглиози-ды эритроцитов разных индивидуумов различаются строением олигосахаридных цепей, проявляющих антигенные свойства.

Холестерол. Холестерол присутствует во всех мембранах животных клеток. Его молекула состоит из жёсткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи, единственная гидроксильная группа является «полярной головкой» (рис. 5-6).

Рис. 5-6. Положение молекулы холестерола в мембране. Молекула холестерола располагается в липидном слое мембраны параллельно алифатическим цепям молекул фосфо- и гликолипидов. Гидроксильная группа холестерола контактирует с гидрофильными «головками» этих липидов

Для животной клетки среднее молярное отношение холестерол/фосфолипиды равно 0,3—0,4, но в плазматической мембране это соотношение гораздо выше (0,8—0,9). Наличие холестеро-ла в мембранах уменьшает подвижность жирных кислот, снижает латеральную диффузию липидов и белков, и поэтому может влиять на функции мембранных белков.

В составе мембран растений холестерол а нет, а присутствуют растительные стероиды — си-тостерол и стигмастерол.

2. Трансмембранная асимметрия липидов

Каждая мембрана клетки замкнута, т.е. имеет внутреннюю и внешнюю поверхности, различающиеся по липидному и белковому составам — эту особенность мембран называют трансмембранной (поперечной) асимметрией.

Липидная асимметрия возникает прежде всего потому, что липиды с более объёмными полярными «головками» стремятся находиться в наружном монослое, так как там площадь поверхности, приходящаяся на полярную «головку», больше. Фосфатидилхолины и сфингомиелины локализованы преимущественно в наружном монослое, а фосфатидилэтаноламины и фосфатидилсерины в основном во внутреннем.

Липиды в некоторых биологических мембранах с довольно большой частотой мигрируют с одной стороны мембраны на другую, т.е. совершают «флип-флоп» (от англ. flip-flop) перескоки (рис. 5—7). Перемещение липидных молекул затрудняют полярные «головки», поэтому липиды, находящиеся на внутренней стороне мембраны, имеют относительно высокую скорость трансмембранной миграции по сравнению с липидами наружной стороны мембраны, мигрирующих медленнее или вообще не совершающими «флип-флоп» перескоки.

Рис. 5-7. Типы движений липидных молекул в бислое мембран

3. Жидкостностъ мембран

Для мембран характерна жидкостность (текучесть), способность липидов и белков к латеральной диффузии. Скорость перемещения молекул зависит от микровязкости мембран, которая, в свою очередь, определяется относительным содержанием насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в составе липидов. Микровязкость меньше, если в составе липидов преобладают ненасыщенные жирные кислоты, и больше при высоком содержании насыщенных жирных кислот.

Ацильные (алифатические) остатки ненасыщенных жирных кислот имеют так называемые «изломы» (см. раздел 8). Эти «изломы» препятствуют слишком плотной упаковке молекул в мембране и делают её более рыхлой, а следовательно и более «текучей». На текучесть мембран также влияют размеры углеводородных «хвостов» липидов, с увеличением длины которых мембрана становится более «текучей».

4. Функции мембранных липидов

Фосфо- и гликолипиды мембран, помимо участия в формировании липидного бислоя, выполняют ряд других важных функций.

Липиды формируют среду для функционирования мембранных белков, принимающих в ней нативную конформацию. Выделенные из мембран ферменты, лишённые липидного окружения, как правило, не проявляют каталитической активности.

Некоторые мембранные липиды — предшественники вторичных посредников при передаче гормонального сигнала. Так, фосфати-дилинозитол-4,5-бисфосфат (ФИФ₂) под действием фермента фосфолипазы С гидролизуется до диацилглицерола (ДАТ), активатора протеинкиназы С и инозитол-1,4,5-трифосфата (ИФ₃) — регулятора кальциевого обмена в клетке (рис. 5-8). ДА Г, ИФ₃, протеинкиназа С и Са²⁺ — участники инозитолфосфатной системы передачи сигнала.

Рис. 5-8. Гидролиз фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата

Кроме того, некоторые липиды выполняют «якорную» функцию, например к фосфатидил-инозитолам через олигосахарид могут присоединяться специфические белки наружной поверхности клетки (рис. 5-9). Фосфатид ил инозитол с присоединённым к нему олигосахаридом (гликаном) называют фосфатидилинозитолгликаном.

Рис. 5-9. «Якорная» функция фосфатидилинозитолгликанов

Связь белков с этой молекулой (гликаном) осуществляется через фосфоэтаноламин. Пример такого «заякоренного» белка — ацетилхо-линэстераза, катализирующая гидролиз ацетилхолина в синаптической щели. Этот фермент фиксируется на постсинаптической мембране, ковалентно присоединяясь к фосфатидилино-зитолгликану. Под действием фосфолипазы С может происходить отделение белков от внешней поверхности клетки.

Липиды могут быть аллостерическими активаторами мембранных ферментов. Например, β-гидроксибутиратдегидрогеназа, участвующая в окислении кетоновых тел (см. раздел 8), локализована на внутренней мембране митохондрий. Каталитическая активность фермента проявляется только в присутствии фосфатидилхолина.

Фермент протеинкиназа С катализирует реакции фосфорилирования белков по аминокислотным остаткам серина и треонина. В неактивной форме протеинкиназа С находится в цитозоле. Однако после стимуляции клетки (повышение в клетке концентрации кальция) фермент быстро активируется ионами кальция и оказывается связанным с мембраной. Функционально активная протеинкиназа С — комплекс, содержащий мономер фермента, молекулу диацилглицерола, один или более ионов Са²⁺ и четыре молекулы фосфатидилсерина.

Креатинкиназа, фермент катализирующий образование макроэргического соединения креагинфосфата (см. раздел 9). Для проявления его активности требуется специфическое взаимодействие с кардиолипином внутренней мембраны митохондрий.