Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Биомембраны
Организация и функции мембранных белков

Липидам в составе мембран отводят, в первую очередь, структурные свойства — они создают бислой, или матрикс, в котором размещаются ак­тивные компоненты мембраны — белки. Именно белки придают разнообраз­ным мембранам уникальность и обеспечивают специфические свойства. Многочисленные мембранные белки выполняют следующие основные функ­ции: обусловливают перенос веществ через мембраны (транспортные функ­ции), осуществляют катализ, обеспечивают процессы фото- и окислительного фосфорилирования, репликацию ДНК, трансляцию и модификацию белков, рецепцию сигналов и передачу нервного импульса и др.

Принято делить мембранные белки на 2 группы: интегральные (внут­ренние) и периферические (наружные). Критерием такого разделения слу­жит степень прочности связывания белка с мембраной и, соответственно, степень жесткости обработки, необходимой для извлечения белка из мембра­ны. Так, периферические белки могут высвобождаться в раствор уже при промывке мембран буферными смесями с низкой ионной силой, низкими значениями рН в присутствии хелатирующих веществ, например этилендиаминотетраацетата (ЭДТА), связывающих двухвалентные катионы. Перифе­рические белки выделяются из мембран при таких мягких условиях, посколь­ку связаны с головками липидов или с другими белками мембраны при по­мощи слабых электростатических взаимодействий, либо с помощью гидро­фобных взаимодействий — с хвостами липидов. Наоборот, интегральные белки представляют собой амфифильные молекулы, имеют на своей поверх­ности большие гидрофобные участки и располагаются внутри мембраны, по­этому для их извлечения требуется разрушить бислой. Для этих целей наибо­лее часто используют детергенты или органические растворители. Способы прикрепления белков к мембране довольно разнообразны (рис. 4.8).

Транспортные белки. Липидный бислой является непроницаемым барь­ером для большинства водорастворимых молекул и ионов, и их перенос через биомембраны зависит от деятельности транспортных белков. Можно выде­лить два основных типа этих белков: каналы (поры) и переносчики. Каналы представляют собой туннели, пересекающие мембрану, в которых места свя­зывания транспортируемых веществ доступны на обеих поверхностях мем­браны одновременно. Каналы в процессе транспорта веществ не претерпева­ют каких-либо конформационных изменений, их конформация меняется лишь при открывании и закрывании. Переносчики, наоборот, в процессе пе­реноса веществ через мембрану изменяют свою конформацию. Причем в ка­ждый конкретный момент времени место связывания переносимого вещества в переносчике доступно только на одной поверхности мембраны.

Каналы, в свою очередь, можно разделить на две основные группы: по­тенциалзависимые и регулируемые химически. Примером потенциалзависи­мого канала является Na-канал, его работа регулируется изменением напря­жения электрического поля. Иными словами, эти каналы открываются и за­крываются в ответ на изменение трансмембранного потенциала. Химически регулируемые каналы открываются и закрываются в ответ на связывание специфических химических агентов. Например, никотиновый ацетилхолиновый рецептор при связывании с ним нейромедиатора переходит в открытую конформацию и пропускает одновалентные катионы (подраз­дел 4.7 данной главы). Термины «пора» и «канал» обычно взаимозаменяемы, но под порой чаще понимают неселективные структуры, различающие веще­ства главным образом по размеру и пропускающие все достаточно малые молекулы. Под каналами чаще понимают ионные каналы. Скорость транс­порта через открытый канал достигает 10⁶—10⁸ ионов в секунду.

Рис. 4.8. Различные способы прикрепления белков к мембране

Переносчики также можно разделить на 2 группы: пассивные и активные. С помощью пассивных переносчиков через мембрану осуществляется транс­порт одного типа веществ. Пассивные переносчики задействованы в облег­ченной диффузии и лишь увеличивают поток вещества, осуществляемый по электрохимическому градиенту (например, перенос глюкозы через мембраны эритроцитов). Активные переносчики транспортируют вещества через мембрану с затратами энергии. Эти транспортные белки накапливают вещества на одной из сторон мембраны, перенося их против электрохимического гра­диента. Скорость транспорта с помощью переносчиков в очень сильной сте­пени зависит от их типа и колеблется от 30 до 10⁵ с^-1. Часто для обозначения отдельных переносчиков используют термины «пермеаза», «транслоказа», которые можно считать синонимами термина «переносчик».

Ферментные функции мембранных белков. В клеточных мем­бранах функционирует большое количество разнообразных ферментов. Одни из них локализуются в мембране, находя там подходящую среду для превра­щения гидрофобных соединений, другие благодаря участию мембран распо­лагаются в них в строгой очередности, катализируя последовательные стадии жизненно важных процессов, третьи нуждаются в содействии липидов для стабилизации своей конформации и поддержания активности. В биомембра­нах обнаружены ферменты — представители всех известных классов. Они могут пронизывать мембрану насквозь, присутствовать в ней в растворенной форме или, являясь периферическими белками, связываться с мембранными поверхностями в ответ на какой-либо сигнал. Можно выделить следующие характерные типы мембранных ферментов:

1) трансмембранные ферменты, катализирующие сопряженные реакции на противоположных сторонах мембраны. Эти ферменты имеют, как прави­ло, несколько активных центров, размещающихся на противоположных сто­ронах мембраны. Типичными представителями таких ферментов являются компоненты дыхательной цепи или фотосинтетические редокс-центры, ката­лизирующие окислительно-восстановительные процессы, связанные с транс­портом электронов и созданием ионных градиентов на мембране;

2) трансмембранные ферменты, участвующие в транспорте веществ. Транспортные белки, сопрягающие перенос вещества с гидролизом АТР, на­пример, обладают каталитической функцией;

3) ферменты, катализирующие превращение связанных с мембраной суб­стратов. Эти ферменты участвуют в метаболизме мембранных компонентов: фосфолипидов, гликолипидов, стероидов и др.

4) ферменты, участвующие в превращениях водорастворимых субстратов. С помощью мембран, чаще всего в прикрепленном к ним состоянии, фермен­ты могут концентрироваться в тех областях мембран, где содержание их суб­стратов наибольшее. Например, ферменты, гидролизующие белки и крахмал, прикрепляются к мембранам микроворсинок кишечника, что способствует увеличению скорости расщепления этих субстратов.

Белки цитоскелета. Цитоскелет представляет собой сложную сеть бел­ковых волокон разного типа и присутствует только в эукариотических клет­ках. Цитоскелет обеспечивает механическую опору для плазматической мем­браны, может определять форму клетки, а также местоположение органелл и их перемещение при митозе. С участием цитоскелета осуществляются также такие важные для клетки процессы, как эндо- и экзоцитоз, фагоцитоз, амебо­идное движение. Таким образом, цитоскелет является динамическим карка­сом клетки и определяет ее механику.

Цитоскелет формируется из волокон трех типов:

1) микрофиламенты (диаметр ~ 6 нм). Представляют собой нитевидные органеллы — полимеры глобулярного белка актина и других связанных с ним белков;

2) промежуточные филаменты (диаметр 8—10 нм). Сформированы кера­тинами и родственными им белками;

3) микротрубочки (диаметр ~ 23 нм) — длинные трубчатые структуры. Состоят из глобулярного белка тубулина, субъединицы которого формируют полый цилиндр. Длина микротрубочек может достигать нескольких микро­метров в цитоплазме клеток и нескольких миллиметров в аксонах нервов.

Перечисленные структуры цитоскелета пронизывают клетку в разных на­правлениях и тесно связываются с мембраной, прикрепляясь к ней в некото­рых точках. Эти участки мембраны играют важную роль в межклеточных контактах, с их помощью клетки могут прикрепляться к субстрату. Они же играют важную роль в трансмембранном распределении липидов и белков в мембранах.