Молекулярная биология

  г) Несколько особняком стоит структура четвертого класса мембранных липидов – стероидов, точнее , их основного представителя – холестерина (ХС).

      ХС (рис.1.5), как  известно, представляет собой вытянутую  систему четырех углеводородных циклов и углеводородную же боковую  цепь. Поэтому, за исключением одной  гидроксигруппы, ХС – гидрофобное  соединение. Если через гидроксигруппу связана какая - либо ЖК, то какой (этерифицированный) ХС вообще теряет малейшие признаки амфифильности. 
 
 
 
 
 

                                                    (рис. 1.5)

     В силу своей гидрофобности, в мембране ХС находится, в основном, в срединной  зоне бислоя, и лишь гидроксигруппа примыкает к «головкам» амфифильных липидов. При этом вытянутые молекулы ХС ориентированы параллельно углеводородным цепям указанных липидов. Каждый вид мембран отличается строго определенным содержанием вышеперечисленных классов липидов. И это во многом определяет  свойства данных мембран. Рассмотрим , в чем состоит эта взаимосвязь.

     Влияние липидного состава  на свойства мембран. Вначале проиллюстрируем  первое из только что высказанных утверждений – о различии состава разных мембран. Для этого обратимся к табл. 1.1. Из нее видно следующее. 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

                                      

                                            (табл. 1.1) 

     а) Отношение белок/липиды действительно в среднем близко к 1:1, но в ряде случаев оно значительно отклоняется от этого уровня. Миелиновые оболочки сильно обогащены липидами, а внутренняя мембрана митохондрий – белками.

     б) Внешние мембраны значительно богаче внутренних по содержанию таких компонентов, как углеводы, сфинго и гликолипиды , холестерин.

     При этом по причинам, которые будут  разъяснены чуть ниже, ГЛ и ХС условно  обозначены в таблице как «стабилизирующие». Нетрудно видеть, что во внутренних мембранах таких липидов почти  нет, т.е. соотношение сильно сдвинуто в сторону «дестабилизирующих» липидов – в основном ФЛ.

     Таким образом, действительно, мембраны очень  сильно отличаются друг от друга по составу. Теперь выясним, как это  сказывается на их свойствах (речь пока будем вести лишь о липидах).

     а) Влияние ФЛ и СЛ. Эти липиды включают непредельные углеводородные «хвосты». Причем среди них встречаются остатки не только олеиновой кислоты, но и полиненасыщенных кислот – линолевой, арахидоновой и других.

     Но, как нам тоже уже известно, в  каждом месте нахождения двойной  связи углеводородная цепь имеет изгиб. А изгибы затрудняют взаимодействие соседних цепей, что делает структуру бислоя менее упорядоченной.

1. повышается латеральная диффузия компонентов мембраны;
2. увеличивается диффузия соответствующих веществ через мембрану;
3. повышается также способность мембран к разрыву.

Все это и объясняет, почему ФЛ и СЛ обозначены в таб 1.1

б) Влияние ХС и ГЛ. Данные же липиды оказывают на лабильность мембраны два противоположных действия.

     С одной стороны, они вносят дезорганизацию в расположение углеводородных «хвостов»: ХС – за счет внедрения между последними, а ГЛ – из-за более длинных, чем обычно, остатков нервоновой и цереброновой кислот. Это несколько дестабилизирует мембраны.

     Но, с другой стороны, те же факторы препятствуют активному перемещению липидов. А это, напротив, оказывает стабилизирующее действие, которое в итоге и перевешивает.

     По  данной причине ХС и ГЛ отнесены к разряду «стабилизирующих»  мембранных липидов.

     Поскольку во внутренних мембранах клеток этих липидов (ХС и ХЛ) очень мало, можно  сделать вывод: данные мембраны существенно более лабильны, чем внешние. Т.е. они более текучи, более проницаемы и более склонны к разрыву.

     Заметим еще одно обстоятельство: все эти  свойства могут меняться со временем и для одной и той же мембраны. Причиной этому обычно служит изменение ее липидного состава.

     Наглядный пример – мембраны сперматозоида: плазмолемма  и мембрана акросомы. В них высоко содержание ФЛ с большим количеством  двойных связей в «хвостах». Это, как мы знаем, само по себе значительно  лабилизирует мембраны.

     Но, кроме того, в женских половых  путях секретируется белок, нагруженный  ФЛ. Эти ФЛ с данного белка переходят  в состав мембран сперматозоидов в обмен на ХС. Таким образом, соотношение  между «дестабилизирующими» и «стабилизирующими» липидами еще больше сдвигается в пользу первых.

     Поэтому лабильность мембран сперматозоидов, уже и так высокая, достигает  критического предела. – Плазмолемма  головки и мембрана  акросоы  легко разрываются при контакте с оболочками яйцеклетки.

     Кроме лабильности, от липидного состава зависят и другие свойства мембран.

     Так, гидрофильные «головки» ФЛ, Сл и  ГЛ значительно отличаются друг от друга по величине, заряду и прочим параметрам. Вероятно, это может  сказываться на электропроводимости  мембран, их способности связывать  те или иные белки и т.д.

     В частности, миелиновые оболочки имеют  очень низкую электропроводность. Причиной, видимо, является высокое содержание в этих мембранах как вообще липидов, так и конкретно ГЛ. Действительно, «головки» последних нередко  лишены ионогенных групп. Не исключено, что аналогичное влияние на электропроводность оказывает и высокое содержание ХС.

     1.3 Белки мембран 

     Функциональные  виды мембранных белков. Обратимся  теперь к мембранным белкам. Их существует огромное множество. Только в плазмолемме  эритроцитов – не менее 100 различных видов белков.

     В отличие от липидов, мембранные белки  трудно классифицировать по их структуре; во всяком случае, такой классификации  пока не существует.

     Более перспективно попытаться подразделить эти белки по их функциональной роли. Но и здесь нет законченной системы, т.к. любые попытки ее создания наталкиваются на типичные трудности, когда один и тот же белок может быть отнесен к разным трудам.

     Тем не менее попробуем перечислить  основные виды мембранных белков, исходя из их функции.

1. Структурные белки. Белки этой группы

а) придают  клетке и органеллам определенную форму;

б) придают  мембране те или иные механические свойства;

     2. Транспортные белки. Проницаемость  мембран определяется их

липидным  бислоем. Последний же проницаем  лишь для ограниченного круга веществ – не очень больших гидрофобных молекул и совсем мелких молекул.

     Все прочие вещества могут перемещаться через мембрану только при наличии  в ней соответствующих белковых транспортных систем. Причем одни из этих систем обеспечивают двусторонний перенос своих лигандов, а другие – только односторонний.

     3. Белки, обеспечивающие непосредственное  межклеточное взаимодействие. Многочисленные  белки этой группы можно поделить  прежде всего на две совокупности:

     а) Т. Н. адгезивные белки необходимы для связывания клеток друг с другом или неклеточными структурами (базальной мембраной)

     б) Другие белки участвуют в образовании  специализированных межклеточных контактов.

     В свою очередь, в каждой из этих совокупностей  можно произвести дальнейшее деление белков.

     4. Последняя большая группа мембранных  белков – белки, участвующие  в передаче сигналов от одних  клеток к другим.

     Такая передача осуществляется в очень  многих случаях и самыми разными  способами.

     Например, в нервных и нервно-мышечных синапсах с т.н. ионотропными рецепторами сигнальной молекулой является определенное низкомолекулярное вещество, а плазмолемма воспринимающей клетки содержит:

     а) рецепторные белки,

     б) белки эффекторного устройства –  ионные каналы, изменяющие свою функцию  при связывании лиганда с рецепторами,

     в) фермент инактивации медиатора.

     Как видно, участвующие в этом ионные каналы попадают сразу в две функциональные группы: кроме данной, еще и в  группы транспортных белков. Помимо того, обычно эти ионные каналы сами же осуществляют и рецепторную функцию. Так обстоит, например дело в случае т.н. н-холинорецепторов – они одновременно являются ионными каналами для катионов. Все это иллюстрирует сложность классификации мембранных белков.

     Есть  синапсы и ст.н. метаботропными рецепторами. Здесь используется иной способ передачи сигнала от клетки к клетке – такой, какой применяется и в случае гормонов нестероидной природы. Имеются в виду гормоны –белки, пептиды и производные аминокислот. Практически все они не способны проникать через плазмолемму клетки-мишени. Однако и в этих случаях мембранные белки, участвующие в процессе, обычно можно разделить на три функциональные группы:

     а) рецепторные белки,

     б) белки трансмиттерного устройства,

     в) ферменты.

     Итак, мы перечислили четыре функциональные группы мембранных белков, каждая из которых обычно подразделяется далее и объединяет большое количество конкретных белков.

2. Перенос веществ через мембраны

     Познакомившись  с двумя транспортными белками, рассмотрим более последовательно  проблему трасмембранного транспорта вещества.

1. Низкомолекулярные соединения: три способа переноса

     Существует  три способа прохождения низкомолекулярных  веществ через мембраны:

     - простая диффузия,

     - облегченная диффузия,

     - активный транспорт.

     Простая диффузия. В этом случае (рис. 1.6.а) вещество непосредственно, без чьей-либо помощи, диффундирует через мембрану из компартмента с большей концентрацией в компартмент с меньшей концентрацией.

     Как уже отмечалось, к такому способу переноса способны низкомолекулярные гидрофобные органические соединения (жирные кислоты, мочевина), а также небольшие нейтральные молекулы (Н₂0, С0₂, 0₂).

     При увеличении разности концентраций между отсеками, разделенными мембраной, прямо пропорционально будет расти и скорость диффузии. При выравнивании концентраций диффузия прекращается, а если соотношение концентраций меняется на противоположное, то меняется и направление диффузии.

     Это имеет место, в частности, в случае прохождения С0₂ через мембрану эритроцитов: в капиллярах тканей С0₂ диффундирует из плазмы в эритроциты, а в капиллярах легких — наоборот, из эритроцитов в плазму. Все определяется соотношением концентраций С0₂ в этих компартаментах. 

 
 
 
 
 
 
 
 

                                             (рис. 1.6)

     Облегченная диффузия. При данном способе переноса (рис. 1.6,б) вещество проходит через мембрану тоже по направлению градиента своей концентрации (т. е. в компартмент с меньшей концентрацией), но не самостоятельно, а с помощью специального транспортного белка — транслоказы.

     Транслоказы - интегральные белки, обладающие большей или меньшей специфичностью в отношении переносимых веществ. Примеры - анионные каналы в плазмолемме эритроцитов, К"-каналы в плазмолемме возбудимых клеток, Са' - каналы в мембранах саркоплазматического ретикулума и т. д.

     Практически всегда с помощью транслоказы переносится такое вещество, которое не способно к простой диффузии через мембрану. Но есть и исключение — перенос воды через мембраны почечных канальцев и секреторных эпителиальных клеток. Вода, как мы знаем, может и самостоятельно пересекать липидный бислой. Однако для интенсификации ее диффузии в указанных мембранах есть специальная транслоказа - аквапорин.