Особенности биомембран

21 Июля в 0:16 3962 0


Одной из самых характерных особенностей мембран являются их чрезвычайные разнообразие и неоднородность. Они обусловлены как неоднородностью состава (разные белки, липиды и углеводы), так и способами взаимодействия разных мембран друг с другом и с компонентами цитоплазмы. Компоненты мембран чрезвычайно асимметричны. Белки мембран имеют четко различимые вне- и внутриклеточные домены. Многие компоненты мембран находятся в состоянии непрерывного движения. Особенностью этих структур является то, что они образуются в значительной степени путем самосборки, и между компонентами мембран фактически отсутствуют ковалентные связи. То же относится и к ионным насосам. Все они сконструированы по единому принципу и состоят из двух функционально зависимых частей (рис. 1).

Схема ионного насоса

Рис. 1. Схема ионного насоса

Функционально мембрана является местом накопления химической энергии, подобно макроэргическим соединениям (фосфатным эфирам циклических азотистых оснований — аденина и гуанина, метаболитам углеводного обмена и коэнзиму А). Работает она по принципу конденсатора, разделяя заряженные атомы и молекулы (ионы). Проницаемость и полярность мембраны зависят от электрохимического градиента, то есть от концентраций ионов по обе стороны мембраны, и от мембранного градиента, то есть от разности электрических потенциалов внутри и вне мембраны.

Наиболее важными биомембранами считаются плазматическая и ядерные мембраны. Первая — барьер, окружающий цитоплазму и ограничивающий клетку. Она содержит специализированные компоненты для поддержания межклеточных контактов и взаимодействий, переноса малых и больших молекул из клетки и внутрь ее. Плазматическая мембрана состоит из специализированных участков (апикального и базолатерального) и может содержать специализированные структуры (микроворсинки и десмосомы).

Внутренняя и внешняя ядерные мембраны различаются. Морфологически наиболее характерны для них порообразные структуры, в которых обе мембраны выглядят слившимися. Полагают, что поры позволяют комплексам мРНК-белок переходить из ядра в цитоплазму, а регуляторным комплексам перемещаться в обратном направлении.

Ядерная мембрана происходит из эндоплазматического ретикулума (ЭР). Он представляет собой сложную сеть цистернообразных или трубчатых структур, составляющих значительную часть внутреннего объема животной клетки. В ЭР синтезируются разные белки, секретируемые и включаемые далее в состав цитоплазматической мембраны или лизосом. С ЭР часто связаны рибосомы, и в этом случае он в соответствии со своим микроскопическим обликом называется шероховатым ЭР. Безрибосомные участки (гладкий ЭР) являются местом биосинтеза стеролов, детоксикации аминов и десатурации жирных кислот (ЖК). Все указанные процессы входят в согласованно действующую систему переноса электронов с участием цитохромов b5 и Р450. Эти цитохромы содержат гем, который координирован легко меняющим валентность ионом Fe2+-Fe4+, что и обеспечивает перенос электронов. Отметим, что Fe2+ имеет радиус 82 пм, Fe3+' 67 пм, a Fe4+ менее 60 пм. По-видимому, изменение радиуса иона в процессах окисления-восстановления вызывает соответствующие конформационные превращения молекулы гема, позволяющие переводить атомарный кислород в реакционно-способную форму.

В теле человека содержится в среднем около 70% солёной воды. Характерным свойством живой клетки является поддержание неравномерности распределения веществ между ней и средой. В табл. 1 приведены данные о распределении основных неорганических ионов в среде и в клетках крови.

Таблица 1. Содержание ионов Na+, К+, Cl в клетках и в морской воде (мМ/л)

Объект

Na+

К+

Сl-

Морская вода

460

10

540

Плазма крови

140

5

100

Эритроциты человека

20

140

60

Видно, что в живых клетках накапливается К+, a Na+ и Cl активно выталкиваются в среду, обеспечивая тем самым электролитный гомеостаз живых систем. Пониманию механизмов перемещения молекул воды и ионов через мембраны во многом способствовали работы Нобелевских лауреатов 2003 г. P. Agrea и R. MacKinnon. Они выделили мембранные белки, которые функционируют как водный и калиевый каналы. Благодаря этому мы можем теперь «видеть» молекулу воды и ионы, проходящие через каналы, открываемые и закрываемые различными клеточными сигналами. Работы этих Нобелевских лауреатов позволили на фундаментальном молекулярном уровне понять механизмы, например, возвращения воды из первичной мочи почками, а также генерации и распространения электрических сигналов в нервных клетках. Ионные каналы важны также для функционирования нервной системы и для работы мышц. Когда ионный канал на поверхности нервной клетки открывается химическим сигналом, направленным от смежной нервной клетки, в этой клетке генерируется так называемый потенциал действия, после чего по поверхности нервной клетки, благодаря открытию и закрытию через несколько миллисекунд расположенных далее ионных каналов, распространяется электрический импульс. Этот механизм играет очень важную роль в патогенезе многих болезней почек, сердца, мышечной, нервной и других систем.

Среди мембранных липидов важнейшими являются представители трех классов: фосфоглицериды (50-90%), сфинголипиды, холестерин (до 10%). Сфинголипиды представлены главным образом церамидами фосфатидилхолином («лецитин») (40-60%), фосфатидилэтаноламином («кефалип») (20-30%), ш(5-10%), сфингомиелином (5-20%), и гликосфинголипидами в виде цереброзидов и ганглиозидов (рис. 2).

Компоненты мембранных липидов

Рис. 2. Компоненты мембранных липидов

Жирные ацильные цепи фосфоглицеридов определяют свойства белково-липидного бислоя в зависимости от числа двойных связей и длины цепи. Участвующие в образовании двойных связей атомы углерода не могут вращаться относительно друг друга и поэтому занимают фиксированную позицию. Эта особенность обусловливает наличие в углеводородной цепи изгибов, которые, в свою очередь, предотвращают плотную упаковку липидных «хвостов». Протяженность цепей тоже влияет на вязкость и текучесть мембраны, так как более короткие цепи упакованы в менее жесткие структуры.

Сфинголипиды, особенно в виде сфингомиелина, являются очень важным компонентом мембран нервных волокон, выполняя функции их защиты и изоляции. Холестерин обладает двоякими функциями. С одной стороны, он внедряется гидрофобной частью молекулы (замкнутой структурой колец) между ненасыщенными ацильными цепями других липидов. Это приводит к разрыхлению упаковки этих цепей, то есть к понижению вязкости внутренней части бислоя. С другой стороны, гидроксильная группа стероида располагается ближе к гидрофильным головам других липидов, «цементируя» гидрофильную часть мембраны. В итоге мембрана становится менее проницаемой для небольших молекул.

Гликосфинголипиды содержат остаток сахара, присоединенный к гидроксильной группе крайнего углеродного атома сфингозина. Если остаток сахара один (как правило, галактоза Гал, иногда глюкоза Глю) — это цереброзиды. Они находятся в мембранах клеток ЦНС и участвуют в изоляции нейронов. Если остатков Сахаров несколько — это ганглиозиды. Полисахаридные «головы» ганглиозидов выступают над поверхностью клетки, служа рецепторами для различных молекул. Они также являются специфическими детерминантами межклеточного взаимодействия, влияя на рост и дифференци-ровку ткани. Примером особенностей расположения углеводов в молекуле ганглиозидов могут служить различия хорошо известных антигенов групп крови А, В и 0. Нарушение обмена этих липидов приводит к аутосомно-рецессивному заболеванию — ганглиозидозу.

Поскольку плазматическая мембрана постоянно обновляется, клетка обладает способностью разрушать сложные гликолипиды. При некоторых заболеваниях ферменты, разрушающие гликолипиды, или отсутствуют, или дефектны. В результате гликолипиды накапливаются в клетке, приводя ее к гибели. Эти заболевания — мукополисахаридозы синдромы Гунтера, Гурлера, Санфилиппо (типы А-Д).

Примерно половину массы биомембран составляют белки. Они погружены в липиды, причем различают трансмембранные («интегральные») и периферические белки. Первые насквозь пронизывают бислой почти перпендикулярно, а вторые связаны с поверхностью мембраны нежестко, в основном ионными взаимодействиями. Из периферических белков наиболее известны спектрин на внутренней поверхности клетки и фибронектин — на наружной. Эти белки тесно ассоциированы с интегральными с помощью белок-белковых взаимодействий. Интегральные белки различаются по количеству пересечения мембран (моно- и политопные), а также по связям с липидами и углеводами. Большинство из них служат рецепторами или активаторами передачи сигналов внутри клетки. Белки мембран способны передвигаться в плоскости мембраны, в зависимости от степени связи с белками цитоскелета, причем многие из них могут перемещаться на значительные расстояния. Этим свойством объясняется ряд функций клетки: группировка рецепторов, эндоцитоз, фагоцитоз.

Многие липиды и белки на наружной поверхности мембран содержат олигосахаридные цепи, то есть являются гликолипидами и гликопротеинами. Они участвуют в образовании межклеточных контактов. Углеводные остатки формируют специфические поверхностные антигены, которые строго контролируются генами главного комплекса гистосовместимости и групп крови. Поверхностные антигены каждого организма специфичны, обеспечивая генетическую индивидуальность клеток.

Важной особенностью мембран клетки (плазматической, ядерной, органелл, ЭР и пр.) является разный химический состав их компонентов. Это относится и к белкам, и к липидам, и к углеводам, и к их комплексам. Имеются органеллы (митохондрии) с собственной ДНК, которая обеспечивает синтез специфичных компонентов мембран. Этот феномен объясняет различия в проницаемости мембран для разных веществ и их разную функциональную роль в обмене веществ в клетке. Для построения нормальной здоровой структуры любой клетки необходим правильный набор специфичных мембранных компонентов.

Известны заболевания, вызванные нарушением формирования как целых клеток, например, эритроцитов, так и единичных органелл, например, пероксисом. В них разрушаются длинноцепочечные (n >20) ЖК с образованием ацетил-КоА и Н2O2, при этом АТФ не синтезируется. В этих органеллах используется значительное количество кислорода, они богаты оксидазами и каталазой. При дефекте пероксисом длинноцепочечные ЖК не разрушаются, что проявляется в виде синдрома Целльвегера.

Чаще всего необходимых клетке веществ (аминокислот, Сахаров, жиров, ионов металлов и т.п.) для извлечения из них энергии и материала в среде содержится меньше, чем в самой клетке. Поэтому у клетки имеются специализированные системы для переноса таких веществ внутрь против градиента их концентрации с помощью механизма активного переноса, то есть с затратой энергии. Это ионные насосы.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74222 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19372 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17181 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы