Химический состав мембран
Функции биологических мембран
V. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ БИОМЕМБРАН
Введение
Еще в 30-х годах ХХ века наличие дифференцированной мембранной структуры на поверхности клеток представлялось далеко не бесспорным. Прямые морфологические доказательства наличия мембраны были немногочисленны или отсутствовали. Первые указания на свойства клеточной поверхности, лимитирующей диффузию красителя внутрь клетки, сделал в середине XIX века К.В.Нагели. Он также показал, что клетки проявляют осмотические свойства: набухают в разбавленных растворах и сжимаются в концентрированных. Морфологические данные о существовании клеточной мембраны были получены только после разработки методов приготовления ультратонких срезов тканей.
В настоящее время не вызывает сомнений, что биологические мембраны образуют наружную оболочку всех живых клеток, а также участвуют в формировании многочисленных внутриклеточных органелл.
Мембраны выполняют многочисленные функции, обеспечивая целостность клеток и тканей и их активность.
Основные функции (выполняются всеми без исключения мембранами):
1. Компартментализация – участие мембран в образовании изолированных отсеков (компартментов). Мембраны всегда образуют замкнутые структуры, самая крупная из них – цитоплазматическая мембрана.
2. Барьерная функция – препятствие свободной диффузии различных веществ. В результате мембрана регулирует перенос веществ и их содержание в клеточных и субклеточных компартментах.
3. Рецепторная (сигнальная) функция – связывание мембранными рецепторами внеклеточных эффекторов – биологически (физиологически) активных веществ, что приводит к изменению активности регуляторных белков клетки.
4. Ферментативная функция обеспечивается мембранно-связанными белками – ферментами, которые образуют своеобразные конвейеры.
5. Факультативные функции, присущие не всем мембранам:
· Транспорт электронов и фосфорилирование в дыхательной цепи (способны выполнять мембраны митохондрий, хлоропластов).
· Преобразование внешних стимулов в электрические импульсы.
· Проведение биоэлектрических импульсов (характерны для мембран электровозбудимых клеток: нервной и мышечной ткани).
· Высвобождение синаптических нейромедиаторов и пиноцитоз.
Исследования показали, что основными химическими компонентами мембран являются липиды (
30%), белки (60%) и углеводы (10%). Минорными компонентами мембран являются нуклеиновые кислоты, полиамины, неорганические ионы.
Липиды, входящие в состав мембран, принадлежат к трем классам. Это фосфолипиды, гликолипиды и стероиды.
Фосфолипидыпостроены по единому плану, их молекула имеет полярную головку и два неполярных хвоста.
В состав головки фосфолипида обязательно входят:
А) остаток спирта (реже аминокислоты);
Б) остаток фосфорной кислоты;
В) по вариантам, либо:
- глицерин (глицерофосфолипиды),
- многоатомный спирт сфингозин (сфингофосфолипиды).
Неполярные хвосты всех молекул фосфолипидов образуются жирными кислотами, определяющими разнообразие их представительства.
Глицерофосфолипиды мембран растительных клеток содержат в основном пальмитиновую (С16:1 (9)), олеиновую (С18:1(9)), линолевую (С18:2(9,12)) жирные кислоты. Жирные кислоты с количеством атомов углерода более 20 – 24 в растительных клетках встречаются редко.
Глицерофосфолипиды мембран животных клеток содержат пальмитиновую, олеиновую, стеариновую (С18:0) жирные кислоты, а также кислоты (арахидоновая и др.) с числом атомов углерода, превышающим 20.
Обычно из двух жирных кислот, образующих гидрофобный хвостглицерофосфолипида, одна ненасыщенная. Она образует связь со вторым атомом углерода глицерина и одна из ее двойных связей обязательно находится на уровне 9 атома углерода, считая от головки.
Остаток спирта (аминокислоты) головки глицерофосфолипида связан сложноэфирной связью с фосфорной кислотой. Глицерофосфолипид, лишенный спирта (аминокислоты), называется фосфатидной кислотой, которая является промежуточным продуктом в биосинтезе фосфолипидов и в свободном виде практически не встречается.
В зависимости от того, какой именно спирт (аминокислота) входит в состав головки молекулы, различают несколько классов глицерофосфолипидов. Самые распространенные:
· фосфатидилхолин, содержащий спирт холин;
· фосфатидилэтаноламин, содержащий спирт этаноламин;
· фосфатидилинозитол, содержащий циклический спирт инозитол;
· фосфатидилсерин, содержащий остаток гидроксиаминокислоты – серина.
Примерами сфингофосфолипидов могут служить сфингомиелины, которые в составе полярной головки содержат фосфохолин или фосфоэтаноламин. В составе сфингофосфолипидов одна жирная кислота. Роль второго неполярного хвоста выполняют углеродные структуры многоатомного спирта сфингозина.
Таким образом, фосфолипиды содержат группировки двух видов – полярные гидрофильные головки и неполярные гидрофобные хвосты. Вследствие этого фосфолипиды обладают амфипатическими свойствами. При рН = 7 остаток фосфорной кислоты в полярной головке заряжен отрицательно.
Гликолипиды – липиды, содержащие 2 остатка жирных кислот, спирт сфингозин и остатки моно- (цереброзиды) или олигосахаров (ганглиозиды).
Стероиды содержат стероидное ядро, образованное тремя гексагональными полностью насыщенными кольцами и одним циклопентановым кольцом. Стероиды представлены в основном холестерином (в животных клетках) или ситостерином и стигмастерином (в растительных клетках).
Физиологическая роль различных классов липидов
Фосфолипиды выполняют структурную функцию, образуя липидный бислой мембраны. Кроме этого, они могут выполнять и важные физиологические функции. Так, арахидоновая кислота, состоящая из цепи с 20 атомами углерода и с 4 двойными связями, входящая в состав фосфолипидов, служит предшественником таких биологически активных веществ, как простагландины.
Гликолипиды широко представлены в различных тканях, в частности, в нервной. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности цитоплазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности. Ганглиозиды участвуют в дифференцировке нейрональной ткани. Ганглиозиды других клеток определяют видоспецифичность и регулируют межклеточные контакты. В иммуннокомпетентных клетках они участвуют в формировании иммунной реакции. Холестерин выполняет важную роль в модификации бислоя: он, в частности, регулирует упаковку и подвижность фосфолипидов мембраны. Кроме того, холестерин служит предшественником в образовании половых гормонов, гормонов коры надпочечников, а также желчных кислот.
Липид-липидные взаимодействия. Динамика липидов в мембране
Длина растянутой углеводородной цепи жирной кислоты, состоящей из 18 атомов углерода, составляет 2 нм, на полярную головку приходится еще 0,5 – 0,7 нм, следовательно, толщина бислоя липидов должна превышать 4 нм, но в действительности толщина двойного слоя липидов оказывается равной 3,5 – 4 нм. Причиной обнаруженного феномена является рыхлое, а не упорядоченное расположения остатков жирных кислот. Раз одна из двух жирных кислот, образующих гидрофобный хвост, ненасыщенная, как правило, увеличивается вероятность образования цис-конформации.
Наличие цис-изомеров жирных кислот в составе фосфолипидов, а также высокая скорость вращения вокруг С-С связей жирно-кислотных радикалов (например, частота вращения вокруг единичной С-С связи составляет 1010, а вокруг двойной С=С связи – 108 с-1) обеспечивают неупорядоченное расположение гидрофобных хвостов. Различные конфигурации молекул жирных кислот, возникающие при поворотах вокруг С-С связей, называют ротамерами или конформерами. Процесс изменения конформации молекул за счет таких поворотов называется транс-гош-изомеризацией. Гош-конформация (“гош” – скошенный) аналогична цис-конформации. Вероятность транс-гош-перехода весьма велика и еще более возрастает при увеличении температуры. При переходе из транс- в гош-конформацию образуются складки или кинки (от англ. Kink – петля). Такого рода изменения способны захватывать целые кластеры мембранных липидов. Считается, что именно с образованием кинков связан транспорт воды и других веществ через мембраны.
Липиды способны совершать вращательные движения вокруг оси молекулы (вращательная диффузия), перемещаться вдоль одного слоя (латеральная диффузия), а также перемещаться из одного слоя в другой (трансмембранный переход или флип-флоп). Наибольшую скорость имеют вращательная и латеральная диффузия. Например, коэффициент латеральной диффузии составляет 1,8×10-8 см2 с-1. Это соответствует частоте парных перестановок соседних молекул 107 с-1. Наиболее медленным процессом является флип-флоп, что связано с высоким уровнем энергии, необходимой для проталкивания заряженных полярных головок через средний углеводородный слой мембраны. Поперечная диффузия молекул фосфолипидов на расстояние 5 нм занимает в 109 раз больше времени, чем диффузия на то же расстояние в латеральном направлении.
| Рис.8. Виды диффузии липидов в мембране 1-латеральная диффузия; 2-трансмембранный переход или флип-флоп; 3-вращательная диффузия. |
Сочетание быстрой диффузии молекул липидов вдоль мембраны и медленной диффузии поперек мембраны имеет большое значение для функционирования мембран. Благодаря этому поддерживается упорядоченность в молекулярной структуре мембраны, определенная ориентация белков поперек мембраны, что имеет значение для направленного переноса веществ через мембрану, кроме того, обеспечивается асимметрия бислоя липидов. Функциональная асимметрия мембраны – один из важнейших аспектов, характеризующих липид – липидные взаимодействия. Асимметрия бислоя означает, что состав липидов каждого из слоев неодинаков.