Матриксная функция клеточных мембран

Размещено на http://www.allbest.ru/

Матриксная функция клеточных мембран

Введение

Клеточная мембрана представляет собой протяженную бислойную структуру, состоящую из липидных молекул с включением гидрофобных белков, которая отделяет содержимое клетки от внешней среды. Взаимодействие липидов друг с другом и с молекулами белка обеспечивает мембранам достаточную прочность, необходимую для поддержания целостности клетки. По мере совершенствования экспериментальных методов и накопления знаний в области биологии клетки стало очевидно, что биологические мембраны выполняют не только защитную роль, но и много других функций, связанных с обеспечением межклеточных контактов и взаимодействием клетки с внешней средой, а также осуществляют регуляцию клеточного метаболизма. Все эти разнообразные проявления биологической активности, обеспечивающие стабильность клеточных функций, объединяются термином "матриксная функция клеточных мембран".

Глава 1. Строение клеточной мембраны

Липиды, составляющие основу клеточных мембран, обладают амфифильными свойствами -- их молекулы имеют как гидрофильные, так и гидрофобные участки, поэтому в водных средах они могут взаимодействовать как с молекулами воды, так и друг с другом. Для амфи-фильных липидов характерен общий принцип строения (см. подробнее [1, 2]). В воде такие молекулы образуют двойной слой, гиброфобные участки формируют протяженные бислойные структуры, в которых гидрофильные головки обращены в водную фазу. Такие ли-пидные мембраны возникают спонтанно при встряхивании смеси липидов в воде. Они оказываются достаточно прочными для того, чтобы создавать разнообразные стабильные комплексы (мицеллы, липосомы или бис-лойные структуры, способные отграничивать внутриклеточное содержимое от внешней среды). Свойства липидного бислоя были описаны ранее [2, 3], поэтому мы сосредоточим внимание на его биохимических особенностях.

Основная масса липидов в мембране представлена фосфолипидами -- фосфатидилэтаноламином, фосфатидилхолином, кардиолипином, фосфатидилсе-рином, а также глико- и сфинголипидами и стеринами. Фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин обычно составляют в клеточных мембранах от 65 до 80% всех липидов. В наружных плазматических мембранах высоко содержание стеринов -- холестерина у животных или эргостерина у растений. На первый взгляд это может показаться странным, но имеет логическое объяснение, поскольку стерины легко упаковываются в пустоты между молекулами фосфолипидов -- так называемые дефектные зоны, образуемые в области двойных связей жирнокислотных цепей фосфолипидов, и тем самым способствуют возрастанию прочности мембранных структур.

Стабильность мембранного бислоя существенно зависит от состава и соотношения составляющих его липидов. Исследование состава мембран нервной ткани показало, что соотношение мембранных липидов в мозге разных по эволюционной сложности животных почти не различается. Даже у примитивно организованных земноводных животных (лягушка) обнаруживается такое же соотношение основных мембранных липидов, которое характерно для вершины эволюции -- млекопитающих (рис. 1).

Одновременно выяснилось, что в зависимости от условий обитания живых объектов (смена сезона для зимнеспящих животных, изменение солености воды у проходных рыб, адаптация к изменениям условий среды обитания) клеточные мембраны могут иметь и значительные различия. Эти различия заключаются в составе жирнокислотных "хвостов" мембранных липидов [4]. Так, понижение температуры среды вызывает увеличение количества двойных связей в жирнокислотных цепях мембранных фосфолипидов холоднокровных животных. Это обеспечивает более рыхлую упаковку бислоя и препятствует возрастанию вязкости мембраны при низкой температуре. Аналогичные изменения состава и свойств мембран может вызвать возрастание солености среды (что происходит при миграции рыб из рек в моря и океаны). Вариации жирнокислотного состава мембранных липидов под влиянием внешних условий является адаптацией, обеспечивающей приспособление организма к изменениям внешней среды. В то же время состав основных липидов мембран оказывается весьма стабильным (см. рис. 1), являясь, по-видимому, очень ранним завоеванием эволюции.

БЕЛКИ В СОСТАВЕ МЕМБРАННОГО БИСЛОЯ

Итак, липидный состав мембран в процессе эволюции клетки не изменялся, хотя функции самих мембран, безусловно, подвергались усложнению. Поэтому ученые обратили внимание на другие компоненты клеточных мембран, а именно на белки. Липидный бислой представляет собой каркас, в который погружены белковые молекулы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Именно белки определяют специфику функционирования различных клеток. Казалось бы, если липиды способны образовывать мембранный бислой спонтанно, то для встраивания белка в мембрану должны существовать особые механизмы. Ведь для преодоления липидного барьера и встраивания в бислой белок должен нарушить регулярную упаковку мембраны. Облегчает этот процесс то, что многие аминокислоты, составляющие первичную структуру белковой молекулы, содержат гидрофобные группы, а по длине пептидной цепи часто обнаруживаются протяженные гидрофобные участки, составленные из таких аминокислот.

При формировании третичной структуры белковая молекула стремится занять наиболее компактный объем, защищая от водной атаки гидрофобные группы гидрофильными аминокислотными радикалами. Сфера имеет наименьшую площадь соприкосновения с внешней средой, поэтому многие белки принимают глобулярную форму. При недостатке собственных гидрофильных групп у белковой молекулы возникает притяжение к гидрофобным мембранным структурам, куда она и встраивается после синтеза на рибосомах. Этому обстоятельству способствует то, что рибосомы тесно связаны с внутриклеточными мембранами. Экспериментальные факты свидетельствуют, что белковые молекулы, синтезируемые на рибосомах, начинают встраиваться в мембрану, к которой прикреплена рибосома, параллельно с наращиванием их первичной структуры.

На начальных этапах встраивания в бислой молекула белка ориентируется на поверхности мембраны за счет электростатических взаимодействий. Это создает области возмущения в регулярной структуре липидно-го матрикса, через которые гидрофобные участки белковой молекулы могут проникать внутрь бислоя и даже пересекать его. В результате белок с достаточно протяженными гидрофобными областями может многократно пересекать мембрану, интегрируясь с мембранными липидами.

Такие белки нельзя выделить из мембраны без разрушения ее структуры, поэтому их называют интегральными белками (белки, которые связаны с мембраной только поверхностными взаимодействиями, называют периферическими). Разные стадии встраивания белка в мембрану показаны на рис. 2. Такова наиболее простая схема. В более сложных случаях в процессе встраивания белка участвуют дополнительные механизмы. Однако понятно, что первые (простейшие) клеточные мембраны могли образоваться спонтанно.

Находясь в составе мембраны, белок оказывается защищенным от атаки молекулами воды, но взамен начинает испытывать влияние липидного окружения, ограничивающего его подвижность. Как отмечено выше, плотность упаковки мембранного бислоя не является постоянной. Она изменяется со сменой сезона, с возрастом организма, в результате патологических нарушений.

Эти изменения зачастую носят приспособительный характер [5] и отражаются на характере функционирования мембранных белков.

Как выглядит клеточная мембрана

Мембраны клеточных органелл, как и наружная клеточная мембрана, представляют собой липидный би-слой со встроенными в него или прикрепленными к нему молекулами белка. Между наружными и внутриклеточными мембранами есть существенные отличия. Они касаются как липидного состава (например, наружная мембрана животной клетки содержит больше холестерина и иное соотношение фосфолипидов), так и наличия у наружной мембраны "углеводной шубы", окружающей бислой со стороны внешней среды (он называется гликокаликс) и внутреннего каркаса (цито-скелета). Эти структуры обеспечивают дополнительную прочность клеточной мембране. Они также участвуют в выполнении специфических клеточных функций. Гли-кокаликс облегчает распознавание клетками друг друга и склеивает клетки при образовании тканей, углеводные компоненты сложных белков -- гликопротеинов участвуют в иммунологических реакциях. Элементы цитоскелета, в состав которого входит несколько белков, в том числе спектрин, актин, анкирин, поддерживают форму клетки и обеспечивают ее упругие свойства.

Через белок анкирин цитоскелет связан с мембранными белками, в том числе белком полосы III (анионным каналом) и гликофорином. Современные представления о строении мембраны иллюстрирует рис. 3.

Рис. 3. Схематическое изображение клеточной мембраны.

С внутренней стороны мембраны виден цитоскелет, с внешней - элементы углеводной шубы, инкрустирующие мембранные белки и формирующие гликокаликс

Глава 2. Мембраны - регуляторы клеточного метаболизма

Клеточная мембрана позволяет клетке поддерживать внутриклеточный состав, избирательно аккумулировать нужные соединения и активно выбрасывать конечные продукты обмена веществ. Более того, в клеточных органеллах (ядре, лизосомах, митохондриях) благодаря тому, что они отграничены биологическими мембранами, поддерживаются условия, отличные от тех, что наблюдаются в остальных участках клетки. Такое разделение клетки на разные компартменты позволяет одновременно осуществлять процессы, требующие различных условий. Это также помогает клетке сохранять биологически активные соединения до периода, когда они становятся необходимы для осуществления соответствующих функций -- так в лизосомах накапливаются ферменты, которые разрушают клеточные структуры (их высвобождение происходит только после разрыва лизосомальной мембраны), а в синап-тических везикулах нервных окончаний -- молекулы нейромедиаторов, которые высвобождаются при электрическом импульсе и обеспечивают проведение возбуждения.

Избирательная проницаемость мембран обеспечивает независимость внутриклеточных органелл. Наглядным примером являются митохондрии, роль которых в обеспечении клетки энергией общеизвестна. В митохондриях образуется подавляющая часть адено-зинтрифосфата, поддерживающего клеточный метаболизм. Но митохондриальная мембрана непроницаема для адениловых нуклеотидов, и внутримитохондриаль-ный фонд АТФ оказывается для клетки недоступен. Как же осуществляется передача энергии? В мито-хондриальную мембрану встроен специальный фермент, который осуществляет обмен АТФ на АДФ -- АТФ/АДФ-транслоказа. Этот фермент обменивает АТФ на АДФ, что гарантирует сохранность фонда аде-ниловых нуклеотидов внутри митохондрий. В митохондриях находится лишь 10% адениловых нуклеоти-дов клетки, и благодаря АТФ/АДФ-транслоказе этот запас остается неприкосновенным при всех условиях.

Важнейшая функция мембраны -- защита внутреннего равновесия в клетке (гомеостаза), которая достигается быстрым адекватным реагированием на внешние стимулы. Механизмы такого реагирования разнообразны. Яркой иллюстрацией использования клеточных мембран для регуляции метаболизма является зависимость белков-ферментов от их липидного окружения. Мы отмечали, что упаковка липидов в мембранном бислое не является постоянной -- плотность упаковки мембран изменяется в зависимости от условий среды и многих других факторов. Изменение свойств мембраны может служить сигналом для встроенных в нее белков.

При взаимодействии с мембраной белки часто образуют олигомерные ансамбли. Их роль разнообразна. Для ферментов гликолиза показана возможность образовывать такие ансамбли, в которых снижается роль пространственного фактора в лимитировании суммарной реакции процесса. В таких ансамблях продукты, образуемые в одной реакции, сразу же поступают в активный центр соседних ферментов, субстратами которых они являются. При этом белковые молекулы, осуществляющие более медленные стадии процесса, представлены в большем количестве, поэтому гликолиз не лимитируется медленно протекающими стадиями.

В случае дыхательной цепи митохондрий мембраны способствуют такой структурной организации белков, которая соответствует последовательности реакции переноса электронов (в направлении уменьшающегося окислительно-восстановительного потенциала) на их пути к кислороду. Само образование АТФ в процессе транспорта электронов по дыхательной цепи также использует преимущество, которое вытекает из локализации митохондриальной АТФ-синтетазы в гидрофобном окружении мембраны. Эта реакция существенно упрощается вследствие того, что она протекает в гидрофобной среде, в которой межзарядные и ионизационные силы, обеспечивающие большую часть энергетического потенциала АТФ, оказываются неэффективными. Поэтому образование АТФ в активном центре АТФ-синтетазы протекает почти как равновесная реакция, зависящая главным образом от концентрации субстратов реакции -- АДФ и неорганического фосфата. АТФ становится макроэргическим только после выталкивания молекулы в водную среду, на что и затрачивается электрический потенциал, генерируемый дыхательной цепью.

Использование мембран для осуществления ферментативных реакций в гидрофобных условиях является важным и для детоксикации попадающих в организм ксенобиотиков (ксенос -- чужой, биос -- жизнь) -- чужеродных органических соединений, в числе которых токсические фенолы, пестициды, омыляющие средства, бенз(а)пирены, лекарственные препараты. Многие из них имеют техногенное происхождение, то есть возникают в ходе осуществления изобретенных человеком технологий, не существующих в природе. В большинстве своем эти соединения гидрофобны, что позволяет накапливать их в клеточных мембранах -- там, где находятся специальные ферментативные системы, которые подвергают их гидроксилированию. В результате ксенобиотики становятся водорастворимыми, что облегчает их дальнейшую нейтрализацию и выведение из организма.

Пример с мембранным ферментом Na/K-АТФа-зой, осуществляющей активный выброс из клеток ионов натрия и аккумуляцию ионов калия, иллюстрирует еще одну важную роль биологических мембран [6]. Процесс гидролиза АТФ и сопряжение этой реакции с активным переносом ионов через мембрану осуществляются этим ферментом через несколько стадий. Хотя суммарная реакция протекает с высвобождением энергии (то есть является экзергонической), частные стадии этого процесса являются как экзергоническими, так и эндергоническими. Объединение молекул фермента в ансамбль позволяет синхронизовать его работу таким образом, что экзергоническая стадия, осуществляемая одной молекулой, будет совпадать по времени с эндергонической стадией, выполняемой ее соседкой, и благодаря взаимной энергетической подпитке реакция, осуществляемая олигомерным ферментом, будет протекать более эффективно.

Важной функцией мембран являются отбор из внешней среды и усиление сигналов, управляющих обменом веществ клетки. В большинстве своем первичные сигналы, информирующие о необходимости изменить интенсивность обмена веществ (в англоязычной литературе их называют посланниками, или мессендже-рами, так их стали называть и в русскоязычных научных изданиях), доставляют эту информацию к клеточной мембране, но не проникают в клетку. Примером первичного мессенджера могут являться нейромедиа-торы и большинство гормонов. Благодаря специфической структуре, обеспечивающей высокое сродство к клеточным рецепторам, они находят эти рецепторы на мембране и оккупируют их, а активированный рецептор обеспечивает передачу сигнала внутрь клетки.

Клетки разных тканей имеют различный набор рецепторов на мембране. Этим достигается специфическое (адресное) восприятие информации, приносимой первичным мессенджером. Так, гормон адреналин, выбрасываемый в случае опасности из надпочечников, с током крови разносится по всему организму, но сообщает об опасности только тем клеткам, мембраны которых содержат соответствующие рецепторы.

Гормоны, нейромедиаторы, цитокины, масса других биологически активных веществ имеют рецепторы на мембранах соответствующих клеток. Сигнал, возникающий на клеточной мембране в ответ на активацию рецептора, приводит к образованию вторичных мес-сенджеров, которое осуществляется по другую сторону мембраны -- в цитоплазме. Этот многостадийный процесс, протекающий с существенным усилением на каждом этапе, является гарантией того, что информация об опасности не затеряется, а будет воспринята клетками и приведет организм к готовности сопротивляться. Вся система передачи и усиления сигналов подробно рассмотрена в [5]. Мы разберем только участие клеточной мембраны в этом процессе.

Как сказано выше, в ответ на оккупацию клеточных рецепторов первичным мессенджером с внешней стороны мембраны активируется образование вторичного мессенджера на ее внутренней стороне. В передаче этого сигнала через мембрану клетки участвуют специальные мембранные белки, связывающие гуаниловые (G) нуклеотиды, называемые G-белками. Они передают соответствующую информацию от рецепторов на фермент, синтезирующий вторичный мессенджер на внутренней стороне мембраны. В зависимости от вида белков эта информация может быть положительная, стимулирующая образование вторичного мессенджера (ее передают Gs-белки) или отрицательная, ингибиру-ющая образование вторичного мессенджера (ее передают Gi-белки). В любом случае эффективность передачи сигнала зависит от свойств липидного бислоя, в котором осуществляется взаимодействие рецепторов, G-белков и ферментов, образующих вторичный мес-сенджер.

Таким образом регулируется образование одного из вторичных мессенджеров -- циклического АМФ, который активирует клеточные протеинкиназы, передающие сигнал на клеточные белки с помощью их фос-форилирования. Длительность восприятия ферментом сигнала G-белка определяется временем существования активного комплекса, образуемого между этим белком и ферментом, синтезирующим цАМФ, -- аденилат-циклазой. Другими словами, эффективность активации (или ингибирования) аденилатциклазы зависит нетолько от величины внешнего сигнала, но и от вязкости липидного окружения, в котором происходит это взаимодействие. В настоящее время описано более десяти вторичных мессенджеров, представленных в разных тканях в различных соотношениях и реагирующих на сигнал, переносимый гормонами или нейромедиа-торами. Во всех случаях этот процесс находится под контролем липидного бислоя, внутри которого происходят описанные взаимодействия.

Таким образом, в клеточной мембране функционируют сложные комплексы, управляющие передачей в клетку внешних сигналов для регуляции клеточного метаболизма. И поскольку липидный состав и упаковка мембранных липидов изменяются под влиянием многих факторов, становится очевидной важная роль клеточных мембран в восприятии внешних сигналов и их превращении в рекомендацию -- как приспособить обмен веществ клетки к изменяющимся условиям функционирования.

Огромный материал на эту тему накопила современная иммунология, поскольку именно молекулы наружных мембран иммунокомпетентных клеток участвуют в распознавании своего и чужого. Передача антигенного сигнала с рецептора внутрь клетки (реакция, которая инициирует формирование специфического иммунного ответа) также осуществляется на территории клеточной мембраны.

Все эти свойства характеризуют матриксную функцию биологических мембран. Они позволяют функционировать в клетке разным органеллам (рис. 4), причем чувствительность мембраны к внешним сигналам синхронизует разнообразные проявления жизнедеятельности в единый метаболический процесс, находящийся в равновесии с требованиями окружающей среды.

Таким образом, с одной стороны, клетка заинтересована в сохранении преемственности в липидном и белковом составе мембраны, с другой -- в определенных пределах колебания этого состава неизбежны и могут носить адаптационный характер. Мембранные компоненты изнашиваются в процессе функционирования клетки -- белковые молекулы модифицируются с помощью различных химических реакций: фосфорили-руются, ацетилируются или подвергаются окислительным превращениям, которые затрудняют их функцию или снижают способность к восприятию сигналов. Ли-пиды окисляются с образованием гидроперекисей, это нарушает регулярную упаковку мембраны и, в свою очередь, ухудшает стабильность и функционирование мембранных белков. Поврежденные мембранные компоненты репарируются с помощью специальных ферментов, а если это оказывается невозможным, разрушаются и заменяются на новые, не-модифицированные молекулы.

При репарации мембранных липидов интересно знать, какая молекула встанет на освободившееся место в мембране: такая же, что восстановит исходные свойства мембраны, или иная -- тогда структура бислоя может измениться, изменятся и условия функционирования белков, погруженных в него. Этот аспект проблемы вызывает множество вопросов: как транспортируются белки и липиды от мест синтеза к мембране? В чем содержится информация, обеспечивающая сортировку нужных молекул и их встраивание в нужные участки мембраны? Каковы клеточные программы, управляющие сменой синтеза одних липидов другими при изменении условий функционирования мембран?

Синтез холестерина протекает в митохондриях, а фосфолипидов -- как в митохондриях, так и в эндоплаз-матическом ретикулуме, откуда они по мере надобности транспортируются в другие органеллы. Встраивание липидов в мембраны, необходимое для роста и воспроизведения мембранных структур, происходит, по-видимому, в соответствии с принципами стерического соответствия молекул. Именно благодаря этому обстоятельству соотношение липидов в мембранных структурах различного уровня сложности воспроизводится с высокой степенью точности. Различия в жирнокислот-ном составе мембранных компонентов достигается изменением набора жирных кислот, доступных для синтеза фосфолипидов: они образуются в митохондриях и этот процесс находится под строгим гормональным контролем.

клеточная мембрана органелла метаболизм

Вот почему смена липидного состава мембран тканей зимнеспящих животных начинается задолго до начала зимнего сезона и носит адаптационный характер. Утверждение об адаптационной роли липидов в мембранах подтверждается высокой скоростью обмена липидов в клетках, измеряемой десятками минут (иногда часами).

Обмен мембранных белков протекает гораздо медленнее. Замена поврежденных и встраивание новообразованных белковых молекул являются сложным процессом. Хотя относительно маленькие белки могут встраиваться в мембрану спонтанно (см. рис. 2), этот процесс протекает слишком медленно. Более крупные белковые молекулы используют для встраивания в мембрану специальные механизмы, для реализации которых используется энергия АТФ. В первичной структуре белка имеется специальная сигнальная последовательность, находящая тот участок мембраны, куда должен встроиться этот белок. Иногда в проникновении белка через мембрану принимают участие канальные структуры, облегчающие этот процесс. Белок встраивается в мембрану в развернутом виде, и за глубину его погружения отвечают специальные сигнал-распознаю-щие факторы. Одним из таких факторов является так называемый стоп-сигнал, представляющий собой определенную последовательность гидрофильных аминокислотных радикалов, доходя до которой процесс встраивания завершается. Сигнальная последовательность, используемая для начала процесса встраивания, как правило, отщепляется от встроенного белка ферментом сигнальная пептидаза, что делает процесс встраивания необратимым [7].

Неясной остается природа первичных сигналов, индуцирующих экспрессию недостающих мембране белков. Выяснение этого вопроса должно существенно помочь выяснению механизмов переключения программы клеточного метаболизма при адаптациях к возрастным изменениям или при патологических нарушениях. В этих случаях организм должен угадать то развитие процесса, которое поможет наиболее эффективно адаптироваться к изменениям условий функционирования. Исследование возрастных особенностей обмена веществ показывает, что многие так называемые старческие изменения отражают попытку организма сделать успешным существование в условиях нормального процесса старения.

Таким образом, через изменение плотности упаковки и других свойств мембраны оказывают влияние на эффективность работы многих ферментов и обеспечивают приспособление клеточного метаболизма к изменениям условий функционирования.

Литература

Васьковский В.Е. Липиды // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 3. С. 32--37.

БарсуковЛ.И. Липосомы // Там же. 1998. № 10. С. 2--9.

Антонов В.Ф. Биофизика мембран // Там же. 1996. № 6. С. 4--12.

Крепс Е.М. Липиды биологических мембран. 1981.

Ткачук В.А. Молекулярные механизмы нейроэндокринной регуляции // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 6. С. 16--20.

Болдырев А.А. Регуляция активности мембранных ферментов // Там же. 1997. № 6. С. 21--27.

7. Теннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции. 1997.

Размещено на Allbest.ru