Пространственная организация биомембран

 

Взаимодействие белков с билипидным слоем (БЛС) приводит к фор­мированию сложной надмолекулярной липопротеидной структуры - клеточной мембраны. Пространственная организация биомембран являет­ся универсальной и отражается в жидкостно-мозаичной модели клеточ­ных мембран.

Согласно этой модели, структурную основу биомембран составляет БЛС, с которым взаимодействуют отдельные белковые молекулы или белковые комплексы, изолированные друг от друга участками БЛС. Та­ким образом, клеточные мембраны представляют собой мозаику белков в жидкостном БЛС.

По пространственному положению в отношении БЛС различают 3 вида мембранных белков: интегральные, полуинтегралъные и периферические.

Интегральные белки имеют фибриллярные гидрофобные домены, по обе стороны которых расположены гидрофобные домены. Благодаря этому гидрофобные домены располагаются в гидрофобной фазе БЛС, а гидрофильные домены оказываются по разные стороны БЛС, т.е. в гид­рофильной среде. Таким образом, интегральные белки пересекают БЛС и поэтому являются трансмембранными белками, а их гидрофобные домены - трансмембранными доменами.

Существуют трансмембранные белки, которые представлены одним полипептидом, пересекающим БЛС более одного раза. Они имеют не­сколько гидрофобных доменов, чередующихся с гидрофильными, благо­даря чему и занимают такое положение в БЛС. Как правило, гидрофобные домены подобного трансмембранного белка взаимодействуют друг с другом и нередко формируют канальные структуры, т.е. относятся к транс­портным белкам. Примером таких белков являются переносчики глюкозы (GluT) наружной мембраны практически всех клеток млекопитающих и человека.

Интегральные (трансмембранные) белки могут иметь четвертичную структуру - состоять из нескольких не связанных ковалентно полипепти­дов. При этом полипептиды бывают как идентичными (гомомерные бел­ки), так и неидентичными (гетеромерные белки).

Гомомерным интегральным белком является капнофорин - пассив­ный сопряженный переносчик НСО₃" и СГ мембраны эритроцитов, со­стоящий из двух идентичных полипептидов (гомодимер). Каждый из двух протомеров капнофорина имеет 5 трансмембранных доменов. К гетеромерным интегральным белкам относится Na/К-насос, в состав которого входят 3 разных трансмембранных протомера: α-, β-, γ-субъединицы насоса.

Полуинтегральные белки, как и интегральные, имеют гидрофобные домены. Однако величина этих доменов настолько мала, что не позволяет им пересечь БЛС. Благодаря этому полуинтегральный белок только по­гружается в БЛС гидрофобным доменом, фиксируя свои гидрофильные домены по одну из сторон мембраны. Примером таких белков являются цитохромы P₄₅₀-оксиредуктазы, которые имеют короткий концевой гидрофобный олигопептид (12-20 аминокислотных остатков), погружен­ный в БЛС мембраны.

Периферические белки, в отличие от интегральных и полуинте­гральных, не имеют наружных гидрофобных доменов и не способны взаимодействовать с гидрофобной фазой БЛС, располагаясь над одной из сторон БЛС. Часть периферических белков фиксируется на БЛС нековалентными связями между гидрофильными аминокислотными радикалами и головками мембранных липидов. Белком подобного рода является цитохром С – переносчик электронов внутренней мембраны митохондрий.

Другие периферические белки образуют ковалентные связи с голов­ками мембранных липидов (фосфатидилинозитолом) с помощью дисахарида, т.е. являются липопротеинами с периферическим белковым компонентом. Липидный компонент в данной ситуации исполняет роль «якоря», фиксирующего белок в БЛС. Примерами мембранных лилопро-теинов являются щелочная фосфатаза и ацетилхолинэстераза, а также клеточная адгезивная молекула нервных клеток.

Некоторые периферические белки ковалентно связаны не с липидами, а с жирными кислотами, являясь ацилпротеинами. Остатки жирных ки­слот легко встраиваются в БЛС и фиксируют белковый компонент над БЛС. К таким белкам относится антиген эритроцитов резус-фактор, имеющий до четырех остатков пальмитиновой кислоты.

Существует другая классификация мембранных белков, отражающая силу их связи с БЛС. Согласно этой классификации, все мембранные белки, отделяемые от БЛС с трудом, относят к интегральным белкам. В этом случае интегральными белками считаются и полу­интегральные белки, и липопротеины, и ацилпротеины. К периферическим белкам, по этой классификации, относятся те, которые легко отделяются от БЛС, т.е. периферические белки, образующие нековалентные связи с головками мембранных липидов

Жидкостно-мозаичные биомембраны характеризуются высокой дина­мичностью, что определяется подвижностью ее компонентов. Очень большой спонтанной подвижностью обладают мембранные липиды в пределах монослоя – за секунду молекула липида меняет свое положение порядка миллиона раз. Таким образом, мембранные липиды практически все время перемещаются, обеспечивая текучесть биомембран.

Кроме митральной подвижности мембранные липиды обладают способностью переходить из одного слоя в другой. При этом происходит компенсаторный переход молекулы липида из другого монослоя, т.е. две молекулы липидов осуществляют взаимный переход в соседний моно­слой. Такой вид подвижности мембранных липидов, называемый «флип-флоп», спонтанно происходит достаточно редко (1-2 раза в сутки для од­ной пары).

В биомембранах присутствуют белки флиппазы, которые резко увеличивают скорость этих событий дня определенных пар липидов. Благодаря этому многие клеточные мембраны характеризуются липиднои асимметрией - в разных слоях БЛС сконцентрированы различ­ные липиды. Работа флиппаз требует затрат АТФ, поэтому в условиях дефицита энергии биомембраны постепенно теряют липидную асимметрию - происходит случайное перераспределение мембранных липидов по обоим монослоям.

 

Согласно жидкостно-мозаичной модели, мембранные белки, как и мембранные липиды, характеризуются определенными видами подвижно­сти, т.е. клеточные мембраны являются динамичными и с этой точки зре­ния. Наиболее типично для мембранных белков латеральное перемещение в БЛС. Некоторые белки способны приподниматься (опускаться) в БЛС за счет изменения своей конформации. Наконец, известны интегральные белки, вращающиеся вокруг своей трансмембранной оси.

Единственный вид перемещений, который не зарегистрирован для мембранных белков – это поворот на 180^о, т.е. переход надмембранных доменов вс одной стороны БЛС на другую. Такой «белковый флип флоп” требует огромных затрат энергии, поэтому нереален при нормальной жизнедеятельности клетки.

Латеральная подвижность мембранных белков, как правило, регулируется клеткой. В частности, она может быть ограничена путем взаимодействия мембранных белков с фиб­риллярными белками, локализованными в примембранной области. Это характерно для белков наружной клеточной мембраны.

В результате определенные белки концентрируются в отдельных участках биомембран, формируя белковую асимметрию, которая обеспечивает структурную и функциональную дифференцированность клеточной мембраны. Если механизмы белковой асимметрии бло­кировать, мембранные белки распределяются в БЛС случайным образом по всей площади мембраны, что нарушает нормальную жизнедеятельность клетки.

Внутренняя мембрана митохондрий характеризуется очень высоким (до 75%) содер­жанием белков. Это приводит к локальным нарушениям регулярности структуры БЛС и формированию сложных липопротеидных комплексов. В таких мембранных комплексах липиды переплетаются с многочисленными фибриллярными доменами интегральных бел­ков, благодаря чему комплексы называют «липопротеиновыми ковриками».

Характерной чертой липопротеиновых ковриков является отсутствие в них регулярно­го БЛС и наличие специфических липидов, в частности, кардиолипина. Вероятно, существенное значение в особенностях строения внутренней мембраны митохондрий имеет и то, что в ней практически нет холестерола.

В некоторых дифференцированных клетках (клетки печени и тонкой кишки) образу­ются мембранные пузырьки, стенки которых представлены липидным монослоем с инте­гральными и периферическими белками - аполипопротеинами. В таких пузырьках - липопротеидных частицах - гидрофильные головки липидов монослоя расположены с наружной стороны мембраны, а гидрофобные хвосты обращены во внутреннюю полость. В этой полости находится большое количество гидрофобных молекул: триглицериды (жиры), холестерол, фосфолипиды, а также небольшое число жирных кислот

Благодаря наличию такого гидрофобного «ядра» частицы, ее мембрана должна быть однослойной, так как ядро взаимодействует с гидрофобными хвостами мембранных липи­дов монослоя. Функциональное значение липопротеидных частиц заключается в упаковке физиологически важных липидов и липоидов, синтезированных в одних клетках, и их транспорте с плазмой крови в другие клетки организма.

Таким образом, клеточные мембраны имеют определенную простран­ственную организацию, что позволяет им осуществлять биологически важные функции. Большинство этих функций выполняется с помощью мембранных белков, поэтому изменения структуры белков вызывают аномалии жизнедеятельности клетки.

Структура каждого мембранного (и не только мембранного) бел­ка определяется соответствующими генами. Благодаря этому дефек­ты структуры белков могут вызываться изменениями структуры генов - мутациями, в результате чего возникают наследственные болезни. Специфические признаки наследственных болезней - сим­птомы - будут исходно определяться нарушением функций изменен­ного белка и при большой их значимости могут приводить к гибели организма -летальному исходу.

Важность наследственных аномалий в медицине заключается, кроме прочего, в том, что они передаются дочерним клеткам при делении материнской и потомкам от родителей через половые клет­ки, в которых содержатся гены с измененной структурой.

Что касается мембранных липидов и липоидов, их синтез зависит от соответствующих ферментов, т.е. клеточных (не обязательно мем­бранных) белков. Это означает, что существуют наследственные болезни, симптомы которых отражают изменение количества или структуры мембранных липидов и липоидов. Кроме того, «липидные» наследственные заболевания могут быть вызваны генетически обусловленными дефектами структуры и функции белков, осущест­вляющих транспорт липидов и липоидов (как внутриклеточный, так и межклеточный).

Наверх