Функции мембраны белков


7.6.3.1. Мембранные белки

По расположению белков в мембране и способу ассоциации с липидным слоем их можно разделить на:

1) поверхностные или периферические мембранные белки, связанные с гидрофильной поверхностью липидного бислоя;

2) погружённые в гидрофобную область бислоя – интегральные мембранные белки.

Периферические белки связаны полярными радикалами с гидрофильной поверхностью бислоя за счёт ионных и водородных связей.

Интегральные белки, как и липиды, являются амфифильными молекулами:

а) у них есть гидрофобные области, взаимодействующие с гидрофобными радикалами липидных молекул внутри бислоя;

и гидрофильные области, обращённые с обеих сторон мембраны к воде.

7.6.3.1.1. Функции мембранных белков

На основании функций, которые выполняют мембранные белки их можно разделить на две группы:

- структурные белки – поддерживают структуру всей мембраны. Это, как правило, периферийные белки.

- динамические белки - непосредственно участвуют в процессах, происходящих на мембране.

Выделяют три класса таких белков:

- транспортные – участвуют в переносе веществ через мембрану;

- каталитические - это ферменты, интегрированные в мембрану и катализирующие происходящие там реакции;

- рецепторные – это мембранные рецепторы, специфически связывающие сигнальные молекулы (гормоны, токсины) на наружной стороне мембраны, что служит сигналом для изменения процессов обмена на мембране и внутри клетки.

7.6.3.2. Основные свойства биомембран

К наиболее важным свойствам мембран следует отнести:

- замкнутость мембран;

- ассиметричность мембран;

- динамичность мембран;

- избирательный транспорт веществ через мембрану.

Замкнутость мембран. В процессе самосборки липидные слои замыкаются сами на себя, что позволяет их гидрофобным хвостам полностью избегать контактов с водой. При этом образуются замкнутые области внутри клетки – органеллы.

Ассиметричность мембран. По химическому составу наружная поверхность мембран отличается от внутренней:

а) в состав наружного слоя мембраны входит больше холестерина и липидов, содержащих остатки придельных жирных кислот, такой состав обеспечивает жёсткость наружного слоя мембраны, защищая тем самым клетку от механических повреждений.

Липиды, входящие во внутренний слой мембраны, содержат большее количество остатков непредельных жирных кислот, что обусловливает текучесть внутреннего слоя.

б) наиболее ассиметрично распределены в мембране гликолипиды и гликопротеины: углеводные части гликопротеинов и гликолипидов выходят на наружную поверхность мембраны.

Динамичность мембран. Отдельные молекулы мембранных липидов и белков свободно перемещаются в мембране – участвуют в двух видах движения – продольном и вращательном:

продольное – меняются со своими соседями местами в приделах одного монослоя;

вращательное – вращаются вокруг собственной оси;

перепрыгивают из наружного слоя во внутренний и обратно.

Избирательный транспорт веществ через мембрану:

а) пассивный транспорт - осуществляется без затраты энергии, благодаря:

- градиенту концентраций по разные стороны мембраны для незаряженных частиц;

- направлением электрического поля для ионов металлов;

б) активный или энергозависимый транспорт – транспорт вещества против градиента концентрации, т. е. перенос вещества в область более высоких концентраций. Для активного транспорта используется энергия АТФ. Транспорт осуществляется с помощью мембранных белков.

Биологическая роль мембранных белков

Будущее медицины – персонифицированные методы избирательного воздействия на отдельные системы клетки, которые ответственны за развитие и течение конкретного заболевания. Основным классом терапевтических мишеней при этом являются мембранные белки клетки как структуры, ответственные за обеспечение непосредственной передачи сигналов в клетку. Уже сегодня почти половина лекарств воздействуют именно на клеточные мембраны, и дальше их будет только больше. Знакомству с биологической ролью мембранных белков посвящена данная статья.

Структура и функции клеточной мембраны

Из школьного курса многие помнят устройство структурной единицы организма – клетки. Особое место в устройстве живой клетки играет плазмалемма (мембрана), которая отделяет внутриклеточное пространство от окружающей ее среды. Таким образом, главная ее функция – создание барьера между клеточным содержимым и внеклеточным пространством. Но это не единственная функция плазмолеммы. Среди других функций мембраны, связанных в первую очередь с мембранными белками, выделяют:

  • Защитную (связывание антигенов и предупреждение их проникновения в клетку).
  • Транспортную (обеспечение обмена веществ между клеткой и средой).
  • Сигнальную (встроенные рецепторные белковые комплексы обеспечивают раздражимость клетки и ее ответ на различные воздействия извне).
  • Энергетическую - преобразование разных форм энергий: механической (жгутики и реснички), электрической (нервный импульс) и химической (синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты).
  • Контактную (обеспечение связи между клетками при помощи десмосом и плазмодесм, а также складок и выростов плазмолеммы).

Мембрана клетки – это двойной слой липидов. Бислой образуется благодаря наличию в молекуле липидов двух частей с разными свойствами – гидрофильного и гидрофобного участка. Наружный слой мембран образован полярными «головками» с гидрофильными свойствами, а гидрофобные «хвосты» липидов обращены внутрь бислоя. Кроме липидов, в структуру мембран входят белки. В 1972 году американские микробиологи С.Д. Сингер (S. Jonathan Singer) и Г.Л. Николсон (Garth L. Nicolson) предложили жидкостно-мозаичную модель строения мембраны, согласно которой, мембранные белки «плавают» в бислое липидов. Эта модель была дополнена немецким биологом Каем Зимонсом (1997) в части образования определенных, более плотных участков с ассоциированными белками (липидных рафтов), которые свободно дрейфуют в бислое мембраны.

Пространственная структура мембранных белков

В различных клетках соотношение липидов и белков различно (от 25 до 75% белков в пересчете на сухую массу), и расположены они неравномерно. По расположению белки могут быть:

  • Интегральными (трансмембранными) – встроенными в мембрану. При этом они пронизывают мембрану, иногда неоднократно. Их внеклеточные участки часто несут цепи олигосахаридов, формируя гликопротеиновые кластеры.
  • Периферическими – расположены преимущественно на внутренней стороне мембран. Связь с липидами мембраны обеспечивается за счет водородных обратимых связей.
  • Заякоренными – преимущественно расположены с наружной стороны клетки и «якорем», удерживающим их на поверхности, является молекула липида, погруженная в бислой.

Биологическая роль мембранных белков многообразна и зависит от их структуры и расположения. Среди них выделяют рецепторные белки, канальные (ионные и порины), транспортеры, моторы и структурные белковые кластеры. Все виды мембранных белков-рецепторов в ответ на какое-либо воздействие меняют свою пространственную структуру и формируют ответ клетки. Например, рецептор инсулина регулирует поступление глюкозы внутрь клетки, а родопсин в чувствительных клетках органа зрения запускает каскад реакций, что приводят к возникновению нервного импульса. Роль мембранных белков-каналов заключается в транспорте ионов и поддержании разницы их концентраций (градиента) между внутренней и внешней средой. Например, натрий-калиевые насосы обеспечивают обмен соответствующих ионов и активный транспорт веществ. Порины – сквозные белки – участвуют в переносе молекул воды, транспортеры – в переносе некоторых веществ против градиента концентраций. У бактерий и простейших движение жгутиков обеспечивают молекулярные белковые моторы. Структурные мембранные белки поддерживают саму мембрану и обеспечивают взаимодействие других белков плазмолеммы.

Белки для мембраны, мембрана для белков

Мембрана - это динамическая и очень активная среда, а не инертная матрица для белков, которые в ней расположены и работают. Она существенно влияет на работу мембранных белков, а липидные рафты, перемещаясь, формируют новые ассоциативные связи белковых молекул. Многие белки просто не работают без партнеров, и межмолекулярное их взаимодействие обеспечивается характером липидного слоя мембран, структурная организация которого, в свою очередь, зависит от структурных белков. Нарушения в этом тонком механизме взаимодействия и взаимозависимости приводят к нарушению функций мембранных белков и целому ряду заболеваний, таких как диабет и злокачественные опухоли.

Структурная организация

Современные представления о структуре и строении мембранных белков основаны на том, что в мембранной периферической части большинство из них состоит редко из одной, чаще из нескольких ассоциированных олигомеризующихся альфа-спиралей. Причем именно такая структура является залогом выполнения функции. Однако именно классификация белков по типам структур может принести еще немало сюрпризов. Более чем из ста описанных белков наиболее изученным по типу олигомеризации мембранным белком является гликофорин А (белок эритроцитов). Для трансмембранных белков ситуация выглядит сложнее – описан лишь один белок (фотосинтетический реакционный центр бактерий - бактериородопсин). Учитывая высокую молекулярную массу мембранных белков (10-240 тысяч дальтон), у молекулярных биологов широкое поле для исследований.

Сигнальные системы клетки

Среди всех белков плазмолеммы особое место принадлежит рецепторным белкам. Именно они регулируют, какие сигналы поступят в клетку, а какие нет. У всех многоклеточных и некоторых бактерий передача информации осуществляется посредством специальных молекул (сигнальных). Среди этих сигнальных агентов выделяют гормоны (белки, специально секретируемые клетками), небелковые образования и отдельные ионы. Последние могут выделяться при повреждении соседних клеток и запускать каскад реакций в виде болевого синдрома, главного защитного механизма организма.

Мишени для фармакологии

Именно мембранные белки являются главными мишенями применения фармакологии, так как именно они и есть те точки, через которые идет большинство сигналов. «Нацелить» лекарственный препарат, обеспечить его высокую селективность – вот главная задача при создании фармакологического средства. Избирательное воздействие только на конкретный тип или даже подтип рецептора – это влияние только на один тип клеток организма. Такое селективное воздействие может, например, отличить опухолевые клетки от нормальных.

Свойства и особенности мембранных белков уже сегодня используются в создании лекарств нового поколения. Эти технологии основаны на создании модульных фармакологических структур из нескольких молекул или наночастиц, «сшитых» друг с другом. «Нацеливающая» часть узнает на мембране клетки определенные рецепторные белки (например, связанные с развитием онкологических заболеваний). К этой части добавляется разрушающий мембрану агент или блокатор процессов производства белков в клетке. Развивающийся апоптоз (программа собственной гибели) или другой механизм каскада внутриклеточных превращений приводит к желаемому результату воздействия фармакологического средства. В результате мы имеем лекарство с минимумом побочных эффектов. Первые такие лекарства по борьбе с раком уже проходят клинические испытания и вскоре станут залогом высокоэффективной терапии.

Структурная геномика

Современная наука о белковых молекулах все интенсивнее переходит на информационные технологии. Экстенсивный путь исследований – изучить и описать все, что можно, сохранить данные в компьютерных базах и потом искать пути применения данных знаний – такова цель современных молекулярных биологов. Всего лишь пятнадцать лет назад стартовал глобальный проект «геном человека», и мы уже имеем секвенированную карту генов человека. Второй проект, цель которого - определить пространственное строение всех «ключевых белков», - структурная геномика – пока далек от завершения. Пространственная структура определена пока только для 60 тысяч более чем из пяти миллионов белков человека. И пусть пока ученые вырастили лишь светящихся поросят и холодоустойчивые помидоры с геном лосося, технологии структурной геномики остаются этапом научного познания, практическое приложение которого не заставит долго себя ждать.

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 гидро-фобных 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 (подрадел 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.

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.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 2

Несмотря на то, что мембраны существенно различаются по составу формирующих их компонентов, можно выделить и охарактеризовать несколько особенностей в их организации и свойствах, которые дают возможность говорить об универсальности строения всех биомембран.

Текучесть мембраны. Это свойство обусловлено постоянным движением мембранных компонентов. Мембраны представляют собой динамические структуры, в которых и липиды, и белки совершают движения разных типов с различной скоростью. Эти свойства характеризуют жидкокристаллическое состояние мембраны. При переходе мембран в фазу геля ее текучесть уменьшается на два порядка и, как результат, организация и правильное функционирование компонентов мембраны (особенно белков) резко нарушаются. Поэтому организмы и стараются поддерживать мембраны в жидкокристаллическом состоянии.

Для компонентов мембраны характерны следующие типы движения:

1) вращательное движение (вокруг продольной оси) — наблюдается, в первую очередь, для липидных молекул и совершается очень быстро, с частотой 109 — 1010с-1 . Вращательные движения характерны и для большинства мембранных белков, но с гораздо меньшей скоростью, поскольку белки имеют больший размер и часто формируют агрегаты;

2) латеральное перемещение (в плоскости мембраны). Коэффициент латеральной диффузии липидов составляет 10-9 — 10-7 см2*с-1, т. е. за 1 с фосфолипидная молекула совершает от 1000 до 100 000 скачков с размером шага, равным ее диаметру (~ 1 нм). Для белков скорость латеральной диффузии ограничена, что может быть обусловлено большим размером белковых молекул, их связью с другими белками или с цитоскелетом;

3) миграция молекул с одной стороны мембраны на другую (флип-флоп перескок). Это наиболее медленный способ движения мембранных компонентов, его характерная скорость для фосфолипидов составляет несколько суток. Причина такого медленного движения заключается в его энергетиче ской невыгодности — липиду с полярной головкой требуется пересекать гидрофобную область бислоя. Однако флип-флоп перескок может ускоряться в присутствии некоторых интегральных белков или при возмущениях в бислое, а также в некоторых специализированных мембранах. Например, в мембране эндоплазматического ретикулума клеток печени крысы эта скорость может достигать нескольких минут. Предполагается, что увеличение скорости трансмембранного перехода липидов связано с присутствием в мембране молекул, облегчающих перенос липидов через бислой.

Для белков в естественных мембранах флип-флоп перескок пока не обнаружен. Считается, что белки, находясь в плоскости бислоя, не меняют своей топологической ориентации. Они встраиваются в мембрану в строго определенной ориентации (относительно обеих ее поверхностей) и остаются в таком положении в течение всего времени их жизни.

Асимметрия мембраны. Все природные мембраны асимметричны, что обусловлено, в первую очередь, различиями в составе омывающих их сред. Например, наружная поверхность плазматической мембраны контактирует с окружающим водным раствором, а внутренняя ее поверхность — с клеточным содержимым. Кроме того, поверхности мембраны различаются по своей кривизне: наружная поверхность является выпуклой, а внутренняя —вогнутой. В результате и липидные, и белковые молекулы распределены между двумя слоями бислоя асимметрично. Например, гликолипиды всегда встроены в наружную часть бислоя, так что их углеводная часть направлена во внеклеточную среду. В мембранах эритроцитов фосфатидилхолин и сфингомиелин находятся преимущественно в наружной части бислоя, а фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин в основном во внутренней. Еще большую асимметрию имеют в мембранах интегральные и периферические белки.

Одним из основных факторов, определяющих асимметрию мембран, является взаимодействие липидов с цитоскелетом. Трансмембранная асимметрия обусловливает чувствительность мембраны к изменениям среды по обе ее стороны и чрезвычайно важна для функционирования клетки.

Между внутренними мембранами эукариот происходит постоянное перераспределение липидных молекул — процесс межмембранного транспорта липидов, который обеспечивается специфическими белками. Перенос фосфолипидов интенсивно осуществляется между митохондриальными мембранами, эндоплазматическим ретикулумом, плазматической мембраной, лизосомами и другими органеллами. Это явление позволяет клетке регулировать скорость протекающих в мембранах процессов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 3

Жизнедеятельность клетки связана с постоянным обменом ее содержимого с окружающей средой. Точно так же и внутри клетки происходит перемещение веществ между органеллами или компартментами. Все эти события связаны с преодолением основного барьера для веществ — мембраны, ограничивающей органеллу или саму клетку. При этом следует помнить, что главная функция биомембран — избирательность транспорта для различных - веществ и ионов. Возможные способы транспорта через мембраны можно разделить на 4 основных типа: пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт и цитозы.

Пассивная диффузия. Это процесс транспорта через мембраны веществ из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией (по химическому градиенту), в котором не принимают участия транспортные белки и не затрачивается энергия. С помощью такого способа через мембрану транспортируются малые незаряженные молекулы, например молекулы газов, некоторые анестезирующие вещества, а также вода. Чтобы пересечь бислой, молекула должна преодолеть поверхностное натяжение на границе мембраны, проникнуть в бислой, продиффундировать через него и выйти с противоположной стороны, вновь преодолев энергетический барьер на границе раздела фаз. Этим и объясняется избирательная проницаемость липидного бислоя для небольших молекул неэлектролитов. Удивительным является факт весьма легкого и быстрого проникновения воды через мембраны: показано, что молекуле воды требуется для пересечения бислоя всего 1 мкс. Для объяснения этого феномена в последнее время появляются основанные на некоторых экспериментальных данных предположения о том, что в мембранах все же существуют какие-то белковые проводящие пути для воды, либо молекулы воды пользуются локальными дефектами в структуре бислоев.

Перемещение одних только молекул воды через полупроницаемую мембрану можно рассматривать как частный вид диффузии — осмос. Под осмосом понимают переход молекул воды из области с высоким водным потенциалом и низкой концентрацией растворенного вещества в область с низким водным потенциалом и высокой концентрацией растворенного вещества (рис. 4.9). В этом случае молекулы воды будут переходить из гипотоническогораствора в гипертонический до тех пор, пока не наступит равновесие и оба раствора не станут изотоническимипо отношению друг к другу.

Чтобы обозначить величину уменьшения водного потенциала, вызванного присутствием растворенных веществ, используют термин «осмотическое давление». Под осмотическим давлением понимают давление, которое следует приложить к раствору, чтобы остановить осмотическое поступление воды в него через полупроницаемую мембрану. Повышение концентрации растворенного вещества увеличивает осмотическое давление и уменьшает водный потенциал раствора.

Перемещение воды через плазматические мембраны клеток в соответствии с законами осмоса создает организмам немалые проблемы, особенно для водных обитателей. Поэтому осморегуляция (поддержание водного потенциала в клетке на постоянном уровне) является важной стороной функциональной деятельности большинства организмов, и на ее осуществление зачастую тратится значительная доля запасенной клеткой энергии.

Скорость диффузии веществ через мембраны зависит от многих причин: растворимости вещества в мембране, коэффициента диффузии в мембране, а также разности концентрации вещества снаружи и внутри клетки (градиента концентрации) (рис. 4.10).

Облегченная диффузия. Этот вид транспорта осуществляется с помощью транспортных белков по электрохимическому градиенту (разность электрических потенциалов и концентраций веществ) без затрат энергии. Это селективный перенос веществ — вещество будет транспортировано через мембрану лишь в том случае, если для него в мембране имеется функционирующий транспортный белок. Поскольку в облегченной диффузии задействованы белки, этот процесс, в отличие от пассивной диффузии, может достигать эффекта насыщения. Стадия насыщения (рис. 4.10) характеризует состояние, когда все транспортные белки для данного вещества насыщены субстратом и скорость транспорта этого вещества достигает максимума.

С помощью облегченной диффузии через мембрану транспортируются многие вещества, в том числе гидрофильные молекулы: углеводы, аминокислоты, нуклеотиды, различные ионы и др. При этом скорость транспорта значительно превышает скорость пассивной диффузии (рис.4.10). Принципиально возможны два пути переноса веществ и ионов через мембрану: с помощью переносчиков и каналов. Поскольку трансмембранное перемещение белков в биомембранах не обнаружено, предложена модель, описывающая работу переносчиков — механизм «пинг-понг». Согласно этому механизму, транспорт веществ связан с конформационными изменениями в структуре белка-переносчика, которые индуцируются связыванием транспортируемого вещества (рис. 4.11).

Работу каналов можно рассмотреть на примере ацетилхолинового рецептора. Этот интегральный белок находится в основном в мембранах нервномышечных соединений скелетных мышц. Он состоит из пяти субъединиц четырех типов и открывается в ответ на связывание ацетилхолина (нейромедиатор). При взаимодействии с ацетилхолином канал открывается, что связано с изменением конформации субъединиц, и пропускает определенные ионы (Na+ , K+ , Ca2+ и некоторые другие), остается в таком положении 1 мс, а затем закрывается. Селективное перемещение катионов изменяет трансмембранный потенциал, в результате чего происходит электрическое возбуждение мышечной клетки, что приводит к сокращению мышцы. Изучение структуры ацетилхолинового рецептора показало, что пять белковых субъединиц встроены в бислой определенным образом: они организованы вокруг центральной поры диаметром 3 нм, через которую и транспортируются катионы. Непроницаемость канала для анионов и в три раза большую проницаемость для катионов, чем для незаряженных молекул, можно объяснить электростатическими взаимодействиями, возникающими благодаря присутствию в воротах канала биполярных или отрицательно заряженных групп.

Особым типом транспорта веществ в ходе облегченной диффузии является использование ионофоров, действие которых изучено на искусственных мембранах. Под ионофорами понимают низкомолекулярные вещества пептидной природы, избирательно транспортирующие через мембраны ионы. Различают ионофоры-каналообразователи (грамицидин А, амфотерицин B и др.) и ионофоры-переносчики (валиномицин, энниатины, боверицин).

Валиномицин представляет собой антибиотик депсипептидной природы, организованный по типу ионной «ловушки». В неполярных растворителях конформация валиномицина напоминает собой браслет, внутренняя полость которого точно подогнана под размеры ионов калия. Внешняя сфера валиномицина гидрофобна, в результате чего он способен перемещаться в липидном бислое и транспортировать через него ионы.

Хорошо изученным примером ионофоров-каналообразователей служит грамицидин А. Это антибиотик пептидной природы, состоящий из 15 аминокислот. Две молекулы грамицидина могут пронизывать мембрану в виде двойной спирали или образуя димер «голова к голове». В таких конформациях молекулы грамицидина А формируют полый цилиндр, по которому могут перемещаться ионы металлов.

В биологических мембранах ионофорный тип транспорта до сих пор не обнаружен.

Активный транспорт. Это сопряженный с потреблением энергии перенос молекул или ионов через мембрану против электрохимического градиента, в котором задействованы транспортные белки. Благодаря активному транспорту в жизнеспособных клетках между двумя сторонами мембраны поддерживается разность потенциалов, т. е. электрический заряд, при этом у большинства изученных клеток внутреннее содержимое заряжено отрицательно по отношению к внешней среде.

Активный транспорт сопряжен со значительными затратами энергии: некоторые клетки тратят более трети всей запасенной энергии для создания ионного градиента на мембране. Это необходимо для таких жизненно важных процессов, как осморегуляция, генерация и передача нервных импульсов, перенос в клетки питательных веществ (сахаров, аминокислот и др.).

Разнообразные системы активного транспорта отличаются друг от друга, в первую очередь тем, что служит для них источником энергии: АТР, ионный градиент, фосфоенолпируват, видимый свет. Наиболее хорошо изученной системой активного транспорта является натрий-калиевая (Na+/K+)-АТР-аза, функционирующая в плазматических мембранах животных клеток. Этот интегральный белок состоит из двух субъединиц: бульшая представлена полипептидом, имеющим участки связывания для ионов натрия и АТР на цито плазматической поверхности, а ионов калия — на наружной; меньшая субъединица является гликопротеином. Работа (Na+/K+)-АТР-азы заключается в следующем: при гидролизе одной молекулы АТР из клетки выкачивается 3 иона Na+ , а извне в клетку проводится 2 иона K+ , т. е. выводится больше положительных ионов, чем проводится внутрь клетки. Так на внутренней стороне мембраны создается избыточный отрицательный заряд, и клетка становится электрогенной. В мембранах обычно присутствуют проводящие пути для облегченной диффузии ионов натрия и калия по электрохимическому градиенту, и этот транспорт, хотя и с малой скоростью, совершается. Однако в жизнеспособной клетке не происходит уравнивания концентраций ионов, создающих электрохимический градиент на мембране, благодаря постоянной работе первичных активных переносчиков, таких, как (Na+/K+)-АТР-аза. Таким образом, ионные насосы, принимающие участие в первичном активном транспорте, осуществляют перемещение заряда на мембране и создают на ней электрохимический градиент, в котором заключена энергия.

Вторичные активные переносчики используют электрохимические градиенты в качестве движущей силы для транспорта растворимых веществ. Этот процесс можно проследить на примере клеток эпителия кишечника. Образуемые в кишечнике при переваривании пищи строительные блоки (аминокислоты, глюкоза и др.) поступают в кровь при диффузии через мембраны кровеносных сосудов, и эта диффузия осуществляется в ходе симпорта(однонаправленного транспорта) с ионами натрия. Ионы натрия стремятся возвратиться в клетку согласно закономерностям облегченной диффузии и как бы тянут с собой молекулы питательных веществ. В мембранах обнаружены специфические переносчики сахаров и разных аминокислот, которые функционируют в системе активного транспорта, накапливая в клетке эти вещества, извлекая их даже из очень разбавленных растворов, т. е. против химического градиента. Эти же транспортные системы могут участвовать и в облегченной диффузии, если вещества транспортируются по химическому градиенту. Кроме описанного выше примера симпорта питательных веществ вместе с возвращающимися в клетку ионами натрия, существует и разнонаправленный транспорт — антипорт. Например, белок полосы 3 эритроцитов осуществляет сопряженный транспорт Cl- и HCO3- в противоположных направлениях через эритроцитарную мембрану.

У аэробных бактерий транспорт питательных веществ в клетку осуществляется в ходе симпорта не с ионами Na+ , а с протонами. Наилучшим образом охарактеризованным примером подобного переносчика служит лактозопермеаза кишечной палочки. Этот интегральный белок использует протонный электрохимический градиент, созданный на мембране в результате окислительного фосфорилирования, для симпорта лактозы: с каждым возвращенным в клетку протоном переносится одна молекула лактозы.

Следует отметить, что АТР-азы представляют собой ферменты, катализирующие взаимообратимые реакции: при гидролизе АТР ионы транспортируются против электрохимического градиента, а перенос ионов по электрохимическому градиенту через каналы АТР-азы может запускать синтез АТР.

Эндоцитоз и экзоцитоз. Эти способы переноса веществ через мембраны связаны с образованием впячиваний (инвагинаций) мембраны и формированием особых мембранных везикул, обеспечивающих прохождение через мембрану крупных макромолекул и частиц. При этом эндоцитоз обеспечивает поглощение клеткой веществ, а экзоцитоз — выделение из клетки. Принято делить цитозы еще на два типа: пиноцитоз и фагоцитоз. Пиноцитоз — это механизм, с помощью которого через мембрану проводятся белки и другие макромолекулы в жидкой фазе. Фагоцитоз представляет собой поглощение клеткой крупных частиц, например бактерий, вирусов. Эти виды транспорта характерны в основном для эукариотических клеток, причем у животных фагоцитоз осуществляют только специализированные клетки, такие, например, как макрофаги. Для многих простейших, например амеб, фагоцитоз является основным способом питания.

Важной особенностью цитозов является последовательное образование и слияние везикул, в которых заключено транспортируемое вещество, причем секретируемые и поглащаемые молекулы локализуются в везикулах и не смешиваются с другими макромолекулами или органеллами клетки. С помощью не установленного пока механизма каждый пузырек сливается только со специфическими мембранными структурами (рис. 4.12).

В основе цитозов лежит еще одно характерное свойство липидных слоев биомембран — способность к агрегации, в результате чего мелкие везикулы объединяются в более крупные или происходит объединение везикул с плазматической мембраной клетки. Такой механизм основан на универсальности структуры биомембран, участвующих в формировании клеточных органелл и протопластов. Аналогичное явление можно наблюдать в пенах, где мыльные пузыри, также состоящие из амфифильных молекул (мыла — соли жирных кислот), обладают тенденцией к объединению с образованием более крупных структур. Способность мембран к агрегации лежит в основе такого широко распространенного способа переноса генетической информации, как слияние протопластов.

Скорость цитозов удивительно высокая. Показано, что клетки печени поглощают путем эндоцитоза за 1 ч количество жидкости, составляющее не менее 20% их объема, и количество мембранного материала, по площади превышающее в пять раз площадь их плазматической мембраны. Сходство цитозов с другими способами транспорта веществ через биомембраны состоит в том, что переносимое вещество должно быть «узнано» мембранными компонентами, иными словами, и в этом случае проявляется избирательная проницаемость мембран для различных соединений.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 4

Все клетки должны обладать системами, позволяющими определять состояние и изменения окружающей среды, чтобы адаптироваться к ним. Эти системы представляют собой разнообразные рецепторные молекулы, которые располагаются в поверхностных структурах, чаще всего — в плазматических мембранах, реже — в клеточных стенках, причем у грамотрицательных бактерий — в наружной мембране. Функция рецепторных молекул и их ассоциаций состоит во взаимодействии с внеклеточными компонентами и инициировании специфического клеточного ответа.

Рецепторные молекулы в большинстве случаев представлены белками, но эту роль могут выполнять и другие молекулы, например гликолипиды, гликопротеины или сфинголипиды. Так, показано, что ганглиозиды служат местом связывания холерного и столбнячного токсинов, а также участвуют в регуляции процессов клеточного роста и дифференцировки.

Среди огромного разнообразия клеточных рецепторов можно выделить несколько основных типов. В поверхностных структурах бактериальных, дрожжевых, животных клеток присутствуют рецепторы, определяющие способность клеток распознавать друг друга, взаимодействовать, образуя скопления, а также связываться с нерастворимыми компонентами внеклеточного матрикса. Примером рецепторов указанного типа служат белковые ворсинки, обнаруженные у патогенных штаммов E. coli, которые вызывают инфекционные заболевания мочевых путей человека. Ворсинки крепятся в наружной мембране и содержат на конце рецепторный белок — адгезин, способный специфически связываться с дигалактозидсодержащими гликолипидами. Эти липиды присутствуют на поверхности эпителиальных клеток, выстилающих мочевые пути, где размножаются бактерии.

Другой класс рецепторов представлен молекулами, расположенными в плазматических мембранах организмов и связывающими питательные вещества и метаболиты. Эти рецепторы участвуют в процессах эндо- и экзоцитоза, определяя специфичность этих видов транспорта.

Более сложные рецепторные реакции сопровождаются связыванием рецептора с метаболитом, гормоном или нейромедиатором, передачей сигнала внутрь клетки и следующим затем клеточным ответом. К подобному классу рецепторов относятся, например, белки бактерий, ответственные за хемотаксис. В составе плазматической мембраны E. coli присутствует рецептор для аспартата, который представляет собой трансмембранный белок. Этот белок осуществляет связывание аспартата, что влечет за собой конформационное изменение в той части молекулы, которая обращена в цитоплазму. Это изменение и служит сигналом, заставляющим опосредованным образом (через фосфорилирование другого белкового компонента системы) вращаться жгутики. В результате клетка перемещается по градиенту концентрации аспартата, получая возможность использовать его в качестве питательного субстрата. Клеточный ответ на сигнал, обусловленный рецепцией специфического вещества, может выражаться также в активации транскрипции отдельных генов. В такую рецепторную систему входит белок-регулятор, находящийся, по-видимому, в цитоплазме в растворимой форме. Считается, что рецепторы каким-то образом модифицируют регуляторные белки, и затем последние активируют транскрипцию.

Аналогичным образом происходит передача сигнала при связывании лиганда (нейромедиатора или гормона) со специфическим рецептором на наружной поверхности мембраны животной клетки. Это событие инициирует конформационный переход в молекуле рецептора и следующий затем каскад событий в клетке, который может включать открывание канала (никотиновый ацетилхолиновый рецептор), фосфорилирование клеточных белков, сопровождающееся изменением их активности, образование комплекса с G-белками. В последнем случае G-белки активируются, высвобождаются из комплекса и диффундируют к клеточным мишеням, вызывая специфический ответ. Одной из наиболее распространенных мишеней G-белков является аденилатциклаза (катализирует образование сАМР). Конформационное изменение этого фермента приводит к изменению внутриклеточной конценрации сАМР, который, как известно (глава 3), служит вторым посредником, влияя на множество внутриклеточных процессов.

Наконец, многие клетки имеют в составе мембран рецепторы, способные в ответ на стимул (внешний сигнал) генерировать нервный импульс. Нервный импульс, возникший в мембране специализированной рецепторной клетки передается через синапсы по отросткам центростремительных нервных клеток к центральной нервной системе, а затем по отросткам центробежных нервных клеток — к мышце или железе. В клетках скелетных мышц при этом возбуждается ацетилхолиновый рецептор и возникает потенциал действия, а через короткий промежуток времени (около 35 мс) происходит сокращение за счет движения актина и миозина внутриклеточных миофибрилл.

Специализированные рецепторные клетки у высших животных и человека могут формировать органы чувств. Работа этих органов основана на изменении электрических характеристик рецепторных клеток в ответ на специфический стимул, т.е. на свойстве клеток генерировать нервный импульс. Более подробно эти процессы рассмотрены в главе 13 на примере функционирования органа зрения.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 5

Благодаря непрерывной работе мембранных ионных насосов между внутренним содержимым невозбужденной клетки и внешней средой постоянно поддерживается разность потенциалов. Этот параметр можно измерить введением электрода в крупные нервные клетки, диаметр которых у кальмаров, например, может достигать 1 мм. Определяемая величина называется потенциалом покоя и достигает в невозбужденных клетках (-60) — (-70) мВ (минус указывает на то, что внутренняя поверхность мембраны электроотрицательна по отношению к внешней). Потенциал покоя характеризует состояние динамического равновесия в перемещении ионов натрия и калия через мембрану.

При воздействии на мембрану в каком-либо локусе электрическим током или другим раздражителем в этом месте открываются специфические натриевые каналы и ионы Na+ устремляются внутрь, нейтрализуя отрицательный заряд на внутренней поверхности мембраны в данном локусе. Это явление носит название «деполяризация». Если пороговая величина импульса, вызвавшего деполяризацию, достаточно велика (более 10 мВ), то в мембране открываются натриевые каналы, работающие на потенциал действия. Потенциал действия представляет собой импульс, проходящий вдоль мембраны нервной клетки и специфически изменяющий за доли секунды (в нервах млекопитающих приблизительно за 0,5 мс) мембранный потенциал. Особенностями потенциала действия являются: высокая скорость распространения вдоль мембраны нервной клетки — до 100 м/с и неизменная интенсивность.

Механизм передачи нервного импульса состоит в следующем. Повышение проводимости мембраны в конкретном локусе для ионов натрия и деполяризация взаимно усиливают друг друга. В результате быстрого перемещения ионов натрия на внутреннюю поверхность мембраны исходный потенциал (-70 мВ) падает до нуля, а затем достигает значения (+20) — (+40) мВ. Таким образом, в данном локусе мембраны создается область положительного заряда и в местной цепи возникает ток между этим активным участком и отрицательно заряженной областью, находящейся непосредственно перед ним. Отличительной особенностью мембран нервных клеток, очень быстро проводящих нервные импульсы, является наличие миелиновой оболочки, которая выполняет роль изолятора. Благодаря этой оболочке плазматическая мембрана контактирует с содержащей Na+ внеклеточной жидкостью лишь в определенных точках — перехватах Ранвье, и деполяризация мембраны происходит только в области этих перехватов. Так как нервная клетка покрыта изолятором — миелином, распространение области электрического тока до следующего перехвата осуществляется в основном через цитоплазму клетки. Дойдя до очередного перехвата, ток снижает мембранный потенциал в этой области, в ней происходит деполяризация и повышается проницаемость для ионов натрия, т.е. возникает потенциал действия. Так, в виде волны деполяризации потенциал действия распространяется по мембране в одном направлении.

Восстановление поляризации происходит в результате выхода из аксона ионов К+. Пока реполяризация не закончится, перехват не может возбудиться снова, а к тому времени, когда перехват будет способен к ответу, импульс уже уйдет по мембране слишком далеко, чтобы снова открыть в рассматриваемом перехвате аксона натриевые каналы. По этой причине импульс распространяется по мембране нервной клетки только в одном направлении. Реполяризация заканчивается после того, как АТР-азы, задействованные в активном транспорте ионов, восстановят нормальное соотношение концентраций Na+ и К+ в перехвате.

Амплитуда потенциала действия постоянна для каждой нервной клетки и не уменьшается по мере движения по мембране, так как изменение в каждой точке мембраны происходит за счет локального запаса энергии в виде ионного градиента, хотя и запускается изменением в соседнем перехвате.

Передача нервного импульса между нейронами и от нейронов к мышечным клеткам происходит в нервных окончаниях (синапсах) с помощью сигнальных веществ — медиаторов. Одним из наиболее распространенных нейромедиаторов (синтезируются нервными клетками) является ацетилхолин. Выделение ацетилхолина синаптическими мембранами служит сигналом для генерирования нервного импульса в расположенной по соседству нервной клетке. Осуществляется это с помощью ацетилхолиновых рецепторов, которые представляют собой трансмембранные комплексы из пяти субъединиц, формирующие проницаемый для ионов Na+ и K+ каналы.

Участки для специфического присоединения ацетилхолина расположены на внеклеточной части a-субъединицы рецептора и их связывание приводит к формированию в центре комплекса трансмембранного канала, который открывается на короткое время для прохождения ионов натрия и калия. Открывание и закрывание канала происходит в результате аллостерического изменения в заряженных участках полипептидных цепей рецептора. Перемещение ионов через мембраны изменяет потенциал покоя нервной или мышечной клетки, что стимулирует открывание потенциал-управляемых Na+ -каналов, и возникает потенциал действия.

Ацетилхолиновый рецептор может связывать различные лекарственные вещества, например никотин, который в малых дозах активирует ацетилхолиновые рецепторы, а в больших — угнетает их. Кроме этого, многие нейротоксины змей способны взаимодействовать с ацетилхолиновым рецептором и нарушать его функционирование. Известно также явление конкурентного ингибирования ацетилхолина при связывании с рецептором ядом кураре (растительный алкалоид), которым южно-американские индейцы пропитывали наконечники для стрел.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 6

Полисахариды представляют собой длинные полимерные цепочки, построенные из остатков моносахаридов, соединенных между собой гликозидными связями. Полисахариды присутствуют во всех клетках и выполняют в них в основном структурную, рецепторную, защитную, функции, а также играют роль запасных (резервных) веществ.

В состав полисахаридов могут входить разнообразные моносахариды, но наиболее часто встречается шестиуглеродный сахар (гексоза) D-глюкоза. Гликозидная связь образуется при взаимодействии двух моносахаридов, в ходе реакции дегидратации (рис. 5.1). В формировании этой эфирной связи могут принимать участие разные атомы углерода моносахаридов и их замесители. Обозначение гликозидной связи включает: положение гидроксила при первом атоме углерода (a или b), а также номер углеродного атома в молекуле второго остатка моносахарида. Например, связи a(1→4) сформирована между атомом кислорода при

атоме углерода 1 в a-положении одного остатка моносахарида и углеродным атомом в положении 4 другого остатка моносахарида (рис. 5.1).

Наиболее часто в природных полисахаридах встречаются гликозидные связи типа a(1→4), a(1→6), b(1→4) и b(1→3).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 7

Большинство резервных полисахаридов организмов представляют собой гомополисахариды, в которых преобладают a(1→4)-гликозидные связи. Эти вещества выполняют роль источников углерода и энергии для клеток в периоды голодания, поэтому их структура отвечает основному требованию —доступности для гидролитических ферментов, расщепляющих их. Молекулы преобладающих в живом мире резервных полисахаридов — крахмала и гликогена — представляют собой рыхлые, разветвленные структуры, доступные для ферментативного расщепления в большом количестве участков.

Крахмал. Этот резервный гомополисахарид преобладает в клетках растений, микроводорослей, а также имеется у некоторых бактерий. Крахмал состоит из двух компонентов: a-амилозы и амилопектина. a-Амилоза представляет собой полимер D-глюкозы, остатки которой соединены с помощью a(1→4)-гликозидных связей. При этом в молекуле появляется большая свобода вращения вокруг связей 1С—О и О— 4С, и цепочка образует стабильную спираль с шестью остатками глюкозы на один виток. Молекулы йода по своим размерам очень точно подходят к центральной полости этой спирали и образуют комплекс, обусловливающий приобретение темносиней окраски растворами a-амилозы при иодно-крахмальном тесте.

Амилопектин состоит из цепей poly(D-глюкозы) с a(1→4)-гликозидными связями; от этих цепей отходят боковые ветви, присоединенные к основной цепи a(1→6)-гликозидными связями. Ветви представляют собой короткие цепочки a(1→4)-глюкозида и мешают основной цепи образовывать спираль. Амилопектин имеет структуру «куста» и вместе с a-амилозой образует сложную сеть. Молекулы амилопектина содержат сотни тысяч остатков глюкозы — это одни из самых крупных природных молекул.

Гликоген. Этот гомополисахарид преобладает в клетках животных, грибов и некоторых бактерий. Его структура сильно напоминает структуру амилопектина, но у гликогена боковые ветви, присоединенные к основной цепи связями a(1→6)-типа, расположены значительно чаще, чем у амилопектина (рис. 5.2). У гликогена отсутствует спиральная структура. Поэтому в целом молекулы гликогена еще более разветвлены и «открыты» действию ферментов.

Кроме охарактеризованных выше внутриклеточных резервных полисахаридов, некоторые организмы (в первую очередь, бактерии и дрожжи) образуют внеклеточные запасные вещества, которые формируют капсулы и слизи. В большинстве случаев эти структуры состоят из полисахаридов. В качестве примера можно привести капсульные полисахариды — декстраны, образуемые молочнокислыми бактериями Leuconostoc mesenteroides и некоторыми видами стрептококков. Декстраны представляют собой полиглюканы, в которых преобладают a(1→6)-гликозидные связи. Цепи декстранов могут быть линейными или разветвленными по положениям 4 или 3 (штаммоспецифичный признак).

Декстраны синтезируются бактериями в условиях высокого содержания источников углерода (в первую очередь, сахарозы), а в период голодания могут расщепляться внеклеточными ферментами до глюкозы, которая поступает в клетки и используется в качестве источника углерода и энергии. Показано, что капсульные полисахариды могут защищать клетки от перепадов рН, действия токсичных факторов, от кратковременного высушивания. Некоторые капсульные полисахариды (не обладающие антигенными свойствами) защищают патогенные микроорганизмы от фагоцитоза, повышая их вирулентность по отношению к животным и человеку, — явление, позволившее Гриффиту открыть трансформацию генетических признаков у пневмококков (глава 1).

Капсульные полисахариды находят применение в хозяйственной деятельности человека. В частности, декстраны используются для получения сефадексов — молекулярных сит. Их получают в ходе образования «сшивок» между линейными цепями декстранов с применением особых агентов. Степень «сшивки» определяет размер пор и соответственно размер фракционируемых молекул. Кроме этого, декстраны широко используются в качестве заменителей плазмы крови, в медицине для создания гидрофильного слоя на обожженных поверхностях (для поглощения жидких экссудатов). Среди других капсульных полисахаридов, находящих применение в медицинской, пищевой (в составе пудингов, кремов, мороженого), фармацевтической промышленности, получили распространение ксантаны, альгинат, пуллулан.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 8

Клеточные стенки растений обладают необычайной прочностью, и в процессе роста растения меняют свою структуру и состав. Основными компонентами клеточных стенок растений являются полисахариды, причем среди них преобладает целлюлоза, которая в значительной мере определяет архитектуру стенки.

Целлюлоза. Этот гомополисахарид является самым распространенным на Земле углеводом (растения образуют в год до 1011 т целлюлозы). Мономерами целлюлозы служат остатки глюкозы, соединенные в длинные цепочки (до 10 000 остатков глюкозы в каждой) с помощью b(1→4)-гликозидных связей (рис. 5.3). В такой молекуле отсутствует полная свобода вращения вокруг 1С—О- и О— 4С-связей, и полимер приобретает конформацию, благоприятную для образования межцепочечных водородных связей, в случае, когда цепочки располагаются антипараллельно. В результате молекулы целлюлозы объединяются в микрофибриллы толщиной примерно от 10 до 25 нм. Микрофибриллы перевиваются и образуют тонкие нити, которые, в свою очередь, могут обматываться одна вокруг другой, как пряди в канате, формируя макрофибриллы. Каждая макрофибрилла имеет толщину около 0,5 мкм и может достигать в длину 6—8 мкм. Прочность макрофибрилл сопоставима с прочностью равной по толщине стальной проволоки. Кроме того, отдельные участки микрофибрилл имеют упорядоченное строение и придают клеточной стенке кристаллические свойства. Таким образом, можно отметить сложность и высокую упорядоченность целлюлозы в составе клеточных стенок, что неслучайно: этот полимер выполняет защитную и опорную функции в растении.

В таком виде полисахариды недоступны действию собственных ферментов, и целлюлоза не может использоваться растением в качестве резервного вещества. Лишь немногие организмы (некоторые бактерии, грибы, простейшие и редкие животные) обладают ферментными системами, способными расщеплять целлюлозу.

Микро- и макрофибриллы целлюлозы в клеточной стенке растений погружены в матрикс, который также состоит в основном из полисахаридов и меняет свою структуру в процессе роста растения. На начальных этапах развития матрикс состоит из пектиновых веществ, а в дальнейшем в нем появляются ксиланы и различные нейтральные полисахариды («гемицеллюлоза»). Пектиновые вещества представляют собой полимеры a-галактуроновой кислоты, в которых некоторые водородные атомы замещены метильными группами (-СН3) (рис. 5.3). Ксиланы представляют собой полимеры ксилозы (рис. 5.3).

На более поздних этапах развития, когда происходит одревеснение клеточных стенок, в клетках откладывается лигнин — химически устойчивый полимер, содержащий большое число ароматических колец. Кроме этого, в составе клеточных стенок растений обнаруживаются небольшие количества гликопротеинов, нерастворимых липидных полимеров различного строения и восков.

Клеточные стенки некоторых растений содержат редкие полисахариды, имеющие необычное строение. Например, в стенках и межклеточном

веществе морских красных водорослей содержится сложный гетерополисахарид агар, представляющий собой смесь сульфатированных полисахаридов —агарозы и агаропектина. Агароза построена из чередующихся остатков D-галактозы и 3,6-ангидро-L-лактозы, связанных попеременно b(1→4)- и a(1→3)-связями. Агаропектин имеет более сложное строение: в его состав входят D-галактоза, 3,6-ангидрогалактоза, уроновые кислоты и сульфат. Агар используется в качестве наиболее распространенного уплотнителя для твердых сред, незаменимых в микробиологии, а также в пищевой промышленности для желирования продуктов. Следует отметить, что подавляющее большинство микроорганизмов не способно расщеплять агар, и это одно из главных его преимуществ перед другим уплотнителем питательных сред — желатиной. Агароза находит широкое применение в биохимических исследованиях: она в водной среде образует гель с большими порами, размер которых определяется ее концентрацией. Агарозные гели используются для фрак-ционирования белков и нуклеиновых кислот, а также для иммобилизации клеток.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 9

Липиды, формирующие биомембраны, представляют собой амфифильные соединения (рис.4.1, 4.2). Эта особенность организации находит отражение в их свойствах: в водном окружении молекулы полярных липидов спонтанно агрегируют с образованием структур, у которых гидрофобные части молекул упакованы внутрь и защищены гидрофильными головками, обращенными к воде. Такие агрегаты могут иметь разную форму и структуру, которая зависит от строения молекулы липида и от соотношения размеров полярной и неполярной ее частей.

Наиболее простые агрегаты амфифильных молекул называются мицеллами. Причем в зависимости от природы растворителя липиды могут образовывать либо мицеллы обычного типа, либо так называемые «обращенные» мицеллы (рис. 4.5). В воде формируются обычные мицеллы, у которых гидрофобные углеводородные цепи изолированы от водного окружения гидрофильными полярными головками.

В неполярных растворителях (бензол, гексан и др.), содержащих следовые количества воды, формируются обращенные мицеллы, у которых ориентация липидных молекул противоположная (рис. 4.5). К мицеллообразующим липидам относятся соли высших жирных кислот и формы липидов, у которых на молекулу приходится всего одна углеводородная цепь, а также многие детергенты. Липидные мицеллы могут иметь разную форму: сферическую (рис. 4.5), цилиндрическую, эллипсоидную, дискообразную. Особой разновидностью липидных агрегатов являются бислои (бимолекулярные слои). Как правило, эти структуры формируются липидами, не способными образовывать мицеллы, например фосфолипидами. Возможность организовываться в бислои определяется, как и в случае мицелл, соотношением размеров полярной и неполярной частей молекулы.

Благодаря своей эластичности и гибкости бислои могут замыкаться сами на себя с образованием ламеллярных пузырьков, которые называют липосомами (рис. 4.6).

Липосомы служат удобными модельными системами для изучения мембран, а также используются для доставки лекарственных препаратов в различные органы и ткани. Причем в этом случае появляется возможность изолировать лекарственный препарат от разрушающих его ферментов и адресно доставить к очагу заболевания. Липосомы и мицеллы можно получить при обработке ультрафиолетом или ультразвуком водных дисперсий полярных липидов, например фосфатидилхолина.

Силами, стабилизирующими структуру липидного бислоя, являются: гидрофобные взаимодействия, водородные связи и ван-дер-ваальсовы силы. Гидрофобные взаимодействия вносят наибольший вклад в процесс стабилизации бислоев: под действием этих сил система принимает такую структурную организацию, при которой сводятся к минимуму контакты между

неполярными участками липидных молекул и водой. Суммарное изменение свободной энергии при переносе неполярного вещества из неполярного растворителя в воду термодинамически неблагоприятно из-за энтропийных эффектов, связанных с нарушением структуры воды как растворителя. Можно сказать, что невыгодные взаимодействия между неполярным растворяемым веществом и водой — это и есть «гидро-фобные силы». Водородные связи образуются между полярными головками некоторых липидов. Ван-дер-ваальсовы силы представляют собой короткодействующие слабые силы притяжения между соседними гидрофобными цепями.

Толщина липидных бислоев определяется длиной углеводородных цепей, а также наличием в них двойных связей и заместителей, т. е. плотностью упаковки гидрофобных хвостов. Обычно этот параметр варьирует в пределах 4—5 нм.

Липидный бислой представляет собой жидкую среду с низкой вязкостью (консистенция растительного масла). В зависимости от температуры липидный бислой может находиться в двух основных состояниях — кристаллическом (твердом или гелевом) и жидкокристаллическом (жидком).

Обычно этот переход осуществляется при температуре 15—40°С, но для каждого конкретного липида этот параметр строго определен и называется температурой фазового перехода (tп). Температура фазового перехода зависит от строения углеводородных хвостов и полярных головок. Рис. 4.7 дает схематическое представление о фазовом переходе липидов в бислоях. При переходе мембран из жидкокристаллического состояния в фазу геля текучесть уменьшается приблизительно на два порядка. Поддержание жидкокристаллического состояния очень важно для функционирования мембран, и клетки обладают механизмами регулирования текучести мембран, которые основаны на изменении состава липидов в бислоях. Особенно большое значение данный механизм имеет для пойкилотермныхорганизмов, не способных поддерживать определенную температуру тела и зависящих от температуры окружающей среды.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 10

В биомембранах присутствует несколько основных классов липидов: фосфоглицеролипиды, фосфосфинголипиды, гликоглицеролипиды, гликосфинголипиды, стеролы. Разнообразие представителей этих классов огромно: в любой конкретной мембране может содержаться до ста разных типов липидных молекул, что, очевидно, связано с разнообразием их функций. Однако основной функцией липидов в биомембранах служит структурная — липиды формируют двухслойный матрикс, в котором находятся белковые молекулы.

Фосфоглицеролипиды. Этот класс липидов в количественном отношении преобладает в большинстве биологических мембран. Наибольшее распространение получили следующие фосфоглицеролипиды: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, дифосфатидилглицерол (кардиолипин). Основу молекул фосфоглицеролипидов представляет трехатомный спирт глицерол. Две его гидроксильные группы этерифицированы двумя остатками жирных кислот, а третья — остатком фосфорной кислоты. Образованная в результате молекула представляет собой основной предшественник всех фосфоглицеролипидов — фосфатидную кислоту (рис. 4.1).

В клетке присутствует небольшое количество фосфатидата, поскольку он является ключевым промежуточным соединением для синтеза всех фосфоацилглицеролов. Последние образуются в ходе реакции этерификации фосфатной группы гидроксильной группой одного из спиртов. На рис. 4.1 представлены структурные формулы наиболее часто встречающихся в мембранах полярных спиртов, а также структура одного из фосфоглицеролипидов — фосфатидилхолина (лецитина).

Жирные кислоты в составе фосфолипидов почти всегда содержат четное число атомов углерода (от 14 до 24). Среди них наиболее распространены следующие: пальмитиновая (16:0), пальмитолеиновая (16:1 D9), стеариновая (18:0), олеиновая (18:1 D9), линолевая (18:2 D9,12), g-линоленовая (18:3 D6,9,12), a-линоленовая (18:3 D9,12,15), арахиновая (20:0), арахидоновая (20:4 D5,8,11,14). В скобках указано число атомов углерода: число двойных связей, число атомов углерода (D) от карбоксильной группы до двойной связи.

Фосфоглицеролипиды выполняют в мембранах структурную функцию. Фосфатидилхолин служит основным компонентом мембран животных клеток, фосфатидилэтаноламин чаще встречается в мембранах бактерий. Это сильно амфифильные молекулы, поскольку содержат в структуре две неравнозначные по свойствам группировки: полярную гидрофильную головку и неполярный гидрофобный хвост (рис. 4.1).

Фосфосфинголипиды. Это также сильно амфифильные молекулы. Они образованы на основе аминоспирта сфингозина, который имеет длинную негидролизуемую ненасыщенную углеводородную цепь (рис. 4.2). Первичным сфинголипидом, из которого образуются все классы неглицероловых липидов, является церамид (рис. 4.2). Он формируется в результате присоединения жирной (чаще моноеновой) кислоты к центральной аминогруппе сфингозина с образованием амидной связи.

Фосфосфинголипиды представляют собой церамиды, у которых оставшаяся спиртовая группа этерифицирована фосфатным производным (фосфорилхолином, фосфорилэтаноламином, фосфорилинозитолом, фосфорилглицеролом). Церамид, этерифицированный фосфорилхолином называется сфингомиелином (рис. 4.2). Сфингомиелин преобладает в мембранах животных

клеток, выполняя там в основном структурную функцию.

Гликоглицеролипиды. Представляют собой полярные липиды, построенные на основе глицерола, у которого гидроксил у третьего атома углерода участвует в образовании гликозидной связи с каким-либо углеводом. Роль углеводных единиц чаще выполняют остатки галактозы или 6-сульфо-6-дезокси-a-D-глюкопиранозил, при этом образуются, соответственно, моногалактозилдиацилглицерол и сульфолипид (рис. 4.3). Гидроксилы двух остальных атомов углерода в гликоглицеролипидах так же, как в фосфоглицеролипидах, этерифицированы жирными кислотами. Моногалактозилдиацилглицерол считается самым распространенным в природе полярным липидом, поскольку на его долю приходится до половины всех липидов тилакоидных мембран хлоропластов. Гликоглицеролипиды выполняют в основном рецепторную функцию.

Гликосфинголипиды. Молекулы этих липидов построены на основе церамида, к концевой гидроксильной группе которого с помощью гликозидной связи присоединяются моно- либо олигосахариды. Те гликосфинголипиды, у которых углеводная часть представлена моносахаридами, носят название цереброзиды. Цереброзиды присутствуют в высоких концентрациях в мозге и нервных тканях млекопитающих. В частности, галактоцереброзид (рис. 4.4) является основным компонентом миелиновой оболочки нервного волокна.

Сфинголипиды, у которых углеводная часть представлена коротким кислотным, как правило, разветвленным олигосахаридом, называются ганглиозидами. Кислотность этого класса гликолипидов обусловлена присутствием в них в качестве ветвей углеводной цепи моносахарида нейраминовой кислоты или ее N-ацетил-производного (рис. 4.4).

Гликосфинголипиды участвуют в регуляции клеточного метаболизма, в частности играют роль в регуляции роста клеток. Кроме того, гликолипиды данного класса можно считать молекулами-медиаторами: они выполняют сигнальные функции, воспринимая и передавая сигналы. Гликосфинголипиды мембран эритроцитов несут антигены группы крови.

Стеролы (стероидные спирты). Эти вещества относят к простым («неомыляемым») липидам, не содержащим жирных кислот. Все стеролы содержат b-гидроксильную группу при С-3, одну или несколько двойных связей в кольце В и не содержат карбоксильные и карбонильные группы. Эти липиды присутствуют во многих мембранах растений, животных и микроорганизмов, выполняя различные функции: структурную, регуляторов текучести мембран, предшественников витаминов и гормонов у растений и животных и др. Наиболее распространенным стеролом мембран животных и многих бактерий является холестерол (рис. 4.4). Это слабо амфифильная молекула. Она включает жесткое гидрофобное полициклическое ядро и полярную головку, представленную гидроксильной группой.

Жесткость полициклического кольца холестерола сообщает мембранам специфические свойства, стабилизируя их текучесть. Холестерол у животных и человека выполняет роль предшественника всех стероидных гормонов и витамина D, является компонентом желчных кислот, облегчающих всасывание жирных кислот в кишечнике. В некоторых мембранах, например, эритроцитов млекопитающих он составляет 40—60% всех липидов. В клетках растений, водорослей, мицелиальных грибов и дрожжей образуется множество родственных холестеролу соединений: эргостерол, b-ситостерол, стигмастерол и др.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 11

К биомембранам относят плазматические мембраны клеток, ядерную мембрану, мембраны эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, мембраны лизосом, пероксисом, митохондрий, хлоропластов, суперкапсиды вирусов, а также некоторые специализированные мембраны отдельных организмов. Все они имеют классическую структуру — липидный бислой с вкраплениями белковых молекул, и можно говорить, что принципиально их организация не различается, что дает право рассматривать эти принадлежащие разным организмам и органеллам мембраны в общей схеме.

Биомембраны выполняют такое количество разнообразных, неотъемлемых для живых существ функций, что можно считать их появление решающим этапом возникновения жизни. Основными функциями мембран являются следующие:

1) ограничивающая: биомембраны окружают все про- и эукариотические клетки, обосабливая таким образом живое от неживого или отдельные клетки в многоклеточном организме. Мембраны также ограничивают содержимое отдельных органелл в эукариотических клетках, позволяя в каждой из них осуществляться специфическим процессам;

2) барьерная: биомембраны представляют собой высокоизбирательный барьер для большинства веществ, стремящихся попасть в клетку (органеллу) или покинуть ее;

3) мембраны обусловливают индивидуальность клеточных поверхностей, что особенно важно для многоклеточных животных организмов, лишенных клеточных стенок: это позволяет клеткам взаимодействовать между собой, формируя органы и ткани;

4) такие незаменимые для многих клеток процессы запасания энергии, как окислительное и фотофосфорилирование, могут осуществляться только на мембранах;

5) многие ферментативные реакции осуществляются только в мембранах, и биомембраны воздействуют на активность многих ферментов;

6) генерация и перенос нервных импульсов возможны только на мембранах, биомембраны обладают рецепторной функцией. Работа высокоразвитых органов чувств высших животных и человека основана на свойствах мембран;

7) многие жизненно важные для клетки функции требуют обязательного участия мембран. Это, в первую очередь, синтез белка, репликация ДНК, модификация и секреция белков, регуляция метаболизма, основанная на гормональном ответе.

Биомембраны представляют собой природные пленки толщиной 5—7 нм, состоящие в основном из липидов, которым принадлежит, в первую очередь, структурная функция, и белков, определяющих разнообразие мембран и уникальность их свойств. Кроме того, в состав мембран входят углеводы, которые присутствуют там не в свободной форме, а в составе сложных соединений: гликолипидов и гликопротеинов. Для объяснения организации биомембран предложено несколько моделей, из которых общепринятой в настоящее время считается жидкостно-мозаичная модель С.Дж. Сингера и Г.Л. Николсона, предложенная в 1971 г. Согласно этой модели, основой мембран служит текучий липидный бислой, в котором остатки жирных кислот фосфолипидов находятся в жидкокристаллическом состоянии. В бислой погружены и встроены молекулы белков, также способные к движению. Со времени своего появления модель Сингера и Николсона претерпела некоторые изменения и уточнения, но ее концептуальная основа осталась неизменной.

Для изучения структуры биомембран используются в основном методы электронной микроскопии препаратов, приготовленных по типу замораживания—скалывания, и метод дифракции рентгеновских лучей.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 12

Трансляция—это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности нуклеотидов в мРНК переводится (транслируется) на язык последовательности аминокислот в полипептидной молекуле. Декодирование мРНК осуществляется в направлении 5’→3’. В процессе трансляции различают стадии:

1) активация аминокислот;

2) аминоацилирование тРНК;

3) собственно трансляция.

Активация аминокислот. Это процесс присоединения аминокислоты с помощью своей карбоксильной группы к a-фосфату АТР с помощью специфической аминоацил-тРНК-синтетазы (рис. 3.10). Реакция сопровождается высвобождением неорганического пирофосфата и образованием аминоациладенилата (АК-АМР). Аминоацил-аденилат обладает очень высокой реакционной способностью и стабилизируется благодаря прочному связыванию с ферментом. Данный процесс характеризуется высокой специфичностью: для каждой аминокислоты существует собственный фермент (ферменты).

Аминоацилирование тРНК. Представляет собой перенос аминоацильной группы от связанного с ферментом аминоацил-аденилата на 2’- или 3’-ОН-группу концевой рибозы тРНК в акцепторной ветви (рис. 3.11).

Ключевой особенностью реакции, приводящей к аминоацилированию тРНК, является специфичность участвующих в ней ферментов. Присоединение к тРНК каждой из 20 аминокислот, встречающихся в белках, катализируется определенной аминоацил-тРНК-синтетазой. Фермент должен отличить одну аминокислоту от 19 других и перенести ее к одной или нескольким изоакцепторным тРНК из имеющихся примерно 75 других тРНК. При этом следует подчеркнуть высокое сходство в структуре многих аминокислот (лейцин, валин и изолейцин; валин и треонин; аспарагиновая и глутаминовая кислоты; и др.), а также удивительное сходство вторичной и третичной структур тРНК. Поэтому даже очень высокой специфичности, присущей данным ферментам, оказывается недостаточно, чтобы не допустить ошибок, и синтетазы могут исправлять ошибки, происходящие при присоединении. Это имеет место при гидролизе связи между аминокислотой и АМР в комплексе фермент—aминоацил—аденилат. В таком случае формирование ошибочно аминоацилированной тРНК предотвращается. Напротив, механизм, с помощью которого удалялось бы уже присоединенная к тРНК неправильная аминокислота, отсутствует. В таких случаях аминокислота занимает неправильную позицию в белке. Частота таких ошибок очень низка (например, в гемоглобине кролика 10-5).

Собственно трансляция. Процесс трансляции осуществляется на рибосомах — клеточных органеллах, представляющих собой сложный комплекс из белков и молекул РНК. В течение всего процесса синтеза белка растущая полипептидная цепь, мРНК и очередная аминоацил-тРНК остаются прикрепленными к рибосоме. У прокариот и эукариот рибосомы различаются по величине и составу (рис. 3.12). Коэффициент седиментации рибосом прокариот составляет 70S (S — Сведберг, единица измерения скорости, с которой частица оседает при центрифугировании; 1S=10-13с), а у эукариот для рибосом, обнаруживаемых в цитоплазме, он равен 80S.

Рибосомы при определенных условиях могут диссоциировать на большую и малую субчастицы, а каждая субчастица, в свою очередь, на составляющие молекулы белка и РНК (рис. 3.12). Все эти компоненты могут снова ассоциировать с образованием функционально активной рибосомы, если созданы соответствующие условия.

Электронно-микроскопические исследования 70S-рибосом показали, что малая и большая субчастицы соприкасаются в нескольких точках, причем между ними образуется бороздка, необходимая для размещения мРНК во время трансляции. Для понимания процесса трансляции важны два основных в функциональном отношении участка на 70S-рибосоме. Участок (сайт) А служит для присоединения аминоацил-тРНК, а с сайтом Р связывается растущая пептидная цепь.

В процессе трансляции, кроме аминоацил-тРНК и рибосом, принимает участие большое количество вспомогательных белков—факторов инициации, элонгации и терминации транскрипции.

Суть процесса трансляции состоит в последовательном декодировании мРНК в направлении 5’→3’ с помощью аминоацилированных тРНК, в ходе которого происходит последовательная конденсация аминокислотных остатков, начиная с амино-(N)-конца полипептидной цепи, в направлении к карбоксильному (С)-концу. Матричный принцип процесса соблюдается при узнавании комплементарных нуклеотидов в составе очередного кодона мРНК и антикодона тРНК. Наиболее полно трансляция изучена у прокариот, и механизм этого процесса будет рассмотрен на примере трансляции у E. coli.

Инициация трансляции. Считывание мРНК начинается с кодона AUG, который обозначает 5’-конец кодирующей последовательности и детерминирует N-концевую (первую) аминокислоту синтезируемого полипептида. Для инициации трансляции необходимо наличие 30S-субчастицы рибосомы, которая связывается в комплекс с белками — факторами инициации (IF1, IF2, IF3), GTP и Fmet-тРНК. Такой полный комплекс связывается с 5’-концом кодирующей последовательности мРНК вблизи кодона AUG. Очевидно, IF2 способен отличить Fmet-тРНК (формил-метионин-тРНК) от met-тРНК, которая связывается с кодонами AUG во внутренней части мРНК, но не может начать трансляцию со стартового кодона AUG. Эта специфичность обеспечивается N-формильной группой, отсутствующей у met-тРНК.

Распознавание стартового кодона осуществляется следующим образом. Связывание 30S-субчастицы с мРНК находится под строгим контролем нуклеотидной последовательности, расположенной примерно за 10 нуклеотидов до 5’-конца стартового кодона. Взаимодействию способствует комплементарное спаривание этой богатой пуринами последовательности с полипиримидиновым участком, находящимся в составе 16S-рРНК. Процесс инициации зависит от многих условностей в структуре взаимодействующих участков, в том числе от вторичной структуры того участка молекулы мРНК, в котором находится стартовый кодон AUG. Это имеет значение для процессов регуляции эффективности синтеза белка.

Итак, при инициации указанный комплекс связывается с Р-сайтом 30S-субчастицы рибосомы, и первой аминокислотой в составе пептида будет формил-метионин. Далее следует присоединение 50S-субчастицы рибосомы и формируется 70S-инициирующий комплекс (рис.3.13). Источником энергии для инициации синтеза белка служит расщепление GTP до GDP и Pi.

Элонгация трансляции. Для образования первой пептидной связи необходимо, чтобы аминоацил-тРНК, соответствующая следующему кодону, заняла А-участок рибосомы. Для этого аминоацил-тРНК должна сначала связать белок EF-Tu (один из факторов элонгации) и GTP. Образовавшийся тройной комплекс (аминоацил-тРНК- [EF-Tu-GTP]) и доставляет аминоацил-тРНК к А-участку. GTP в это время гидролизуется, и комплекс (EF-Tu-GDP) отделяется от рибосомы. Когда оба участка, А и Р, заняты, пептидилтрансферазная активность 50S-субчастицы катализирует перенос группы Fmet с ее тРНК на аминогруппу аминоацил-тРНК, находящуюся в А-участке (рис .3.14). В результате в А-участке оказывается дипептидил-тРНК, а в Р —свободная тРНК (рис. 3.13).

Пептидилтрансферазная активность рибосом связана, по-видимому, не с белковой частью 50S-субъединицы, а с одним из РНК-компонентов — рибозимов.

Для прочтения следующего кодона и удлинения полипептидной цепи еще на одну аминокислоту вся серия реакций должна повториться. Однако прежде чем это произойдет, свободная тРНК освобождает Р-участок, образовавшаяся дипептидил-тРНК перемещается на него с А-участка (при этом не происходит взаимодействия кодона с антикодоном), а рибосома продвигается скачкообразно (на 3 нуклеотида) в сторону 3’-конца мРНК. Все эти процессы осуществляются с помощью фактора элонгации EF-G при GTР-зависимой транслокации рибосомы. В результате этих трех актов освобождается участок А и экспонируется следующий кодон, что позволяет начаться следующему циклу элонгации (рис. 3.13). Следует отметить, что при образовании каждой пептидной связи расходуется энергия, равная четырем энергетическим эквивалентам (если за один эквивалент принять энергию образования фосфатной связи): два эквивалента АТР потребляются при аминоацилировании тРНК и два эквивалента GTР — в каждом цикле элонгации.

Терминация трансляции. Процесс последовательной трансляции кодонов, в конце концов, доходит до того момента, когда в А-участке оказывается один из трех терминирующих кодонов — UAG, UAA или UGA. В природе не существует таких тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам. Здесь вступают в действие факторы терминации — RF-1 и RF-2, которые катализируют отсоединение полипептидной цепи от тРНК, тРНК — от рибосомы, а 70S-рибосому — от мРНК.

После инициации трансляции 70S-рибосома удаляется от сайта инициации по мере считывания каждого последующего кодона. Когда расстояние от рибосомы до сайта инициации достигнет величины 100—200 нуклеотидов, в этом сайте может произойти новая инициация. Более того, как только вторая рибосома пройдет такое же расстояние, может произойти третья инициация, и т. д. Итак, одну и ту же белок-кодирующую последовательность мРНК могут одновременно транслировать несколько рибосом. Подобные мультирибосомные трансляционные комплексы называются полирибосомами или полисомами.

Матричные РНК, состоящие из нескольких белок-кодирующих участков, часто транслируются последовательно: когда рибосома доходит до термини рующего кодона в первой последовательности, она отделяется от мРНК и со следующим инициирующим участком связывается новый комплекс. Иногда этого не происходит, и транслирующая первую кодирующую последовательность рибосома, не отделяясь, перемещается вдоль мРНК, инициируя трансляцию в других сайтах.

В некоторых случаях трансляция первой кодирующей последовательности может начаться и даже завершиться еще до окончания транскрипции остальных последовательностей, как, например, в случае lac- или trp-оперонов E.coli.

Особенности трансляции у эукариот. Процесс трансляции эукариотической мРНК в основном аналогичен таковому для прокариот. Однако имеется ряд отличий. Во-первых, аппараты транскрипции и трансляции у эукариот разобщены во времени и в пространстве, поскольку транскрипция осуществляется в ядре, а трансляция — в цитоплазме. Во-вторых, инициирующей аминоацил-тРНК у эукариот служит не Fmet-тРНК, а специальная инициирующая met-тРНК. В-третьих, на 5ў- и 3ў-концах эукариотичеких мРНК имеются особые структуры — «кэпы» и «шлейфы», принимающие участие в трансляции. Известно, что отдельные факторы инициации трансляции узнают кэпированные области для связывания с мРНК и начала процесса трансляции.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Page 13

Образующиеся в процессе трансляции полипептидные молекулы часто не являются зрелыми, биологически активными формами белка. Для того чтобы они приобрели функциональную активность, требуются различные изменения в их составе и структуре, которые принято называть посттрансляционной модификацией. К наиболее распространенным событиям такого рода относятся: расщепление и укорочение цепей; фосфорилирование, ацетилирование, гидроксилирование, карбоксилирование определенных аминокислотных остатков; соединение пептидов с полисахаридами или липидами; связывание с простетическими группами и др.

Примером укорочения пептидных цепей служит отщепление N-концевого формилметионина (или метионина), который включается во все полипептидные молекулы в процессе инициации трансляции. Это событие часто осуществляется еще на рибосомах, в начале трансляции.

Расщепление белков-предшественников часто происходит при сборке капсидов сложных бактериофагов (Т4, Р2, l, Т5), а также многих протеолитических белков, гормонов, нейропептидов млекопитающих. Например, инсулин синтезируется при трансляции в виде препроинсулинового полипептида и превращается в зрелый инсулин после расщепления цепи и удаления N-концевого, а также внутреннего сегмента (глава 21).

Связывание пептидов с простетическими группами можно рассмотреть на примере формирования функционально активного гемоглобина. Образованные в ходе трансляции a- и b-цепи гемоглобина объединяются вначале в a2 b2 -структуру, а затем с боковыми группами аминокислот обеих субъединиц связывается гем. Похожим образом происходит модификация пируваткарбоксилазы — для приобретения этим ферментом активности с определенными боковыми цепями его аминокислот должен ковалентно связаться биотин.

Модификация аминокислотных остатков — широко распространенное явление. Карбоксилирование специфических остатков глутаминовой кислоты в белках, принимающих участие в свертываемости крови, обусловливают возможность связывания Са2+. Для образования коллагена должно произойти гидроксилирование специфических пролиновых и лизиновых остатков. Фосфорилирование и дефосфорилирование определенных остатков серина, треонина и тирозина принимают участие в регуляции метаболизма.

У некоторых белков на N-конце имеется короткая (15—35 остатков) последовательность гидрофобных аминокислотных остатков, которые называют «сигнальными последовательностями». Эти последовательности играют важную роль в транспорте белков через мембраны: они узнаются сигнал распознающими частицами в составе мембран, которые опосредуют направленную транспортировку белков. В процессе переноса через мембрану сигнальная последовательность отщепляется сигнальной пептидазой. В результате белок приобретает функциональную активность, оказавшись в соответствующей органелле (например, лизосоме) или вне клетки. Часто процесс транспорта белков через мембраны происходит уже в ходе трансляции с участием связанных с мембранами рибосом (у эукариот это чаще всего мембраны шероховатого эндоплазматического ретикулума). Такой процесс называют котрансляционным транспортом.

Существование событий посттрансляционной модификации расширяет возможности клеток в регуляции метаболизма. Изменения концентрации или активности ферментов, участвующих в модификации белков, приводят к снижению или увеличению концентрации последних, а следовательно, и к изменению скорости соответствующих процессов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Белки мембран

Если основная роль липидов в составе мемб­ран заключается в стабилизации бислоя, то бел­ки отвечают за функциональную активность мембран. Одни из них обеспечивают транспорт определённых молекул и ионов, другие явля­ются ферментами, третьи участвуют в связыва­нии цитоскелета с внеклеточным матриксом или служат рецепторами для гормонов, медиаторов,

эйкозаноидов, липопротеинов, оксида азота (N0). На долю белков приходится от 30 до 70% массы мембран. Белки определяют особеннос­ти функционирования каждой мембраны.

Особенности строения

и локализации белков в мембранах

Мембранные белки, контактирующие с гид­рофобной частью липидного бислоя, должны быть амфифильными. Те участки белка, кото­рые взаимодействуют с углеводородными цепя­ми жирных кислот, содержат преимущественно неполярные аминокислоты. Участки белка, на­ходящиеся в области полярных «головок», обо­гащены гидрофильными аминокислотными ос­татками.

Локализация белков в мембранах. Трансмембранные белки, например: 1 — гликофорин А; 2 — рецептор адреналина. Поверхностные белки: 3 — белки, связанные с интегральными белками, например, фермент сукцинатдегидрогеназа; 4 — белки, присоединенные к полярным «головкам» липидного слоя, например, протеинкинаэа С; 5 — бел­ки, -заякоренные» в мембране с помощью короткого гидрофобного концевого домена, например, цитохрои b5;6 — «заякоренные» белки, ковалентно соединённые с пипидом мембраны (например, фермент щелочная фосфатаза).

Белки мембран различаются по своему поло­жению в мембране. Они могут глу­боко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его — интегральные белки, либо разными способами прикрепляться к мембра­не — поверхностные белки.

Поверхностные белки

Поверхностные белки часто прикрепляются к мембране, взаимодействуя с интегральными

белками или поверхностными участками липидного слоя.

Белки, образующие комплексы с интеграль­ными белками мембраны

Ряд пищеварительных ферментов, участвую­щих в гидролизе крахмала и белков, прикреп­ляется к интегральным белкам мембран микро­ворсинок кишечника.

Примерами таких комплексов могут быть сахараза-изомальтаза и мальтаза-гликоамилаза.

Белки, связанные с полярными «головками» липидов мембран

Полярные или заряженные домены белковой молекулы могут взаимодействовать с полярны­ми «головками» липидов, образуя ионные и во­дородные связи. Кроме того, множество раство­римых в цитозоле белков при определённых условиях могут связываться с поверхностью мембраны на непродолжительное время. Иног­да связывание белка — необходимое условие проявления ферментативной активности. К та­ким белкам, например, относят протеинкиназу С, факторы свёртывания крови.

Закрепление с помощью мембранного «якоря»

«Якорем» может быть неполярный домен белка, построенный из аминокислот с гидро-

фобными радикалами. Примером такого белка может служить цитохром b5 мембраны ЭР. Этот белок участвует в окислительно-восстанови­тельных реакциях, как переносчик электронов.

Роль мембранного «якоря» может выполнять также ковалентно связанный с белком остаток жирной кислоты (миристиновой — С14 или пальмитиновой — С16). Белки, связанные с жирными кислотами, локализованы в основном на внутренней поверхности плазматической мембраны. Миристиновая кислота присоединя­ется к N-концевому глицину с образованием амидной связи. Пальмитиновая кислота обра­зует тиоэфирную связь с цистеином или слож-ноэфирную с остатками серина и треонина.

Небольшая группа белков может взаимодей­ствовать с наружной поверхностью клетки с помощью ковалентно присоединённого к С-концу белка фосфатидилинозитолгликана. Этот «якорь» — часто единственное связующее зве­но между белком и мембраной, поэтому при действии фосфолипазы С этот белок отделяет­ся от мембраны.

Трансмембранные (интегральные) белки

Некоторые из трансмембранных белков про­низывают мембрану один раз (гликофорин), дру­гие имеют несколько участков (доменов), пос­ледовательно пересекающих бислой.

Трансмембранные домены, пронизывающие бислой, имеют конформацию α -спирали. Поляр­ные остатки аминокислот обращены внутрь глобулы, а неполярные контактируют с мембранны­ми липидами. Такие белки называют «вывернуты­ми» по сравнению с растворимыми в воде белка­ми, в которых большинство гидрофобных остатков аминокислот спрятано внутрь, а гидрофильные располагаются на поверхности.

Радикалы заряженных аминокислот в соста­ве этих доменов лишены заряда и протониро-ваны (-СООН) или депротонированы (-Nh3).

Гликозилированные белки

Поверхностные белки или домены интеграль­ных белков, расположенные на наружной по­верхности всех мембран, почти всегда гликози-лированы. Олигосахаридные Остатки могут быть присоединены через амидную группу аспараги-на или гидроксильные группы серина и треонина.

Олигосахаридные остатки защищают белок от протеолиза, участвуют в узнавании лигандов или адгезии.

Латеральная диффузия белков

Некоторые мембранные белки перемещают­ся вдоль бислоя (латеральная диффузия) или по­ворачиваются вокруг оси, перпендикулярно его поверхности.

Латеральная диффузия интегральных белков в мембране ограничена, это связано с их боль­шими размерами, взаимодействием с другими мембранными белками, элементами цитоскелета или внеклеточного матрикса.

Белки мембран не совершают перемещений с одной стороны мембраны на другую («флип-флоп» перескоки), подобно фосфолипидам.

Роль мембранных белков.

1. ТРАНСПОРТ ГИДРОФИЛЬНЫХ МОЛЕКУЛ, и, в частности, заряженных частиц. Например, транспорт ионов натрия и калия осуществляется K,Na-насосом.

2. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ РОЛЬ.

Ферменты, заключенные в мембрану, обладают рядом особенностей каталитических свойств. У этих ферментов особая чувствительность к факторам окружающей среды.

  1. РЕЦЕПТОРНАЯ РОЛЬ. Взаимодействие с гормонами, медиаторами осуществляется мембранными белками-гликопротеинами. Самостоятельно углеводный компонент не участвует в построении мембраны, но липиды и белки содержат углеводы.

Роль углеводных компонентов мембран

а) Участвуют в рецепции.

б) Обеспечивают взаимодействие клеток друг с другом.

в) Некоторые углеводные компоненты обеспечивают антигенную специфичность клеток. Например, эритроциты разных групп крови отличаются друг от друга по составу углеводных компонентов.

Мембраны асимметричны. 2 монослоя отличаются друг от друга по своему составу. Например, гликолипиды плазматической мембраны всегда находятся в наружном монослое. Асимметрия характерна и для белковых компонентов.

Аденилатциклаза. Ее активный центр находится на внутренней части мембраны. Белки-рецепторы свой углеводный компонент содержат с внешней стороны мембраны.

Важнейшим компонентом плазматических мембран является холестерин.

Холестерин взаимодействует с гидрофобными хвостами полярных молекул и ограничивает скорость диффузии липидов. Поэтому холестерин называют стабилизатором биологических мембран. Компоненты мембран не только движутся в пространстве, но и постоянно обновляются. Их место занимают новые молекулы.

В учебную программу входит только обмен ГФЛ и холестерина. Липоиды синтезируются на мембранах эндоплазматического ретикулума. Наблюдается постоянное передвижение липоидов от мембран ЭПС к другим мембранам.

СИНТЕЗ ХОЛЕСТЕРИНА

Протекает в основном в печени на мембранах эндоплазматического ретикулума гепатоцитов. Этот холестерин - эндогенный. Происходит постоянный транспорт холестерина из печени в ткани. Для построения мембран используется также пищевой (экзогенный) холестерин. Ключевой фермент биосинтеза холестерина - ГМГ-редуктаза (бета-гидрокси, бета-метил, глутарил-КоА редуктаза). Этот фермент ингибируется по принципу отрицательной обратной связи конечным продуктом - холестерином.

ТРАНСПОРТ ХОЛЕСТЕРИНА.

Пищевой холестерин транспортируется хиломикронами и попадает в печень. Поэтому печень является для тканей источником и пищевого холестерина (попавшего туда в составе хиломикронов), и эндогенного холестерина.

В печени синтезируются и затем попадают в кровь ЛОНП - липопротеины очень низкой плотности (состоят на 75% из холестерина), а также ЛНП - липопротеины низкой плотности(в их составе есть апобелок апоВ100.

Почти во всех клетках имеются рецепторы для апоВ100. Поэтому ЛНП фиксируются на поверхности клеток. При этом наблюдается переход холестерина в клеточные мембраны. Поэтому ЛНП способны снабжать холестерином клетки тканей.

Помимо этого, происходит и освобождение холестерина из тканей и транспорт его в печень. Транспортируют холестерин из тканей в печень липопротеины высокой плотности (ЛВП). Они содержат очень мало липидов и много белка. Синтез ЛВП протекает в печени. Частицы ЛВП имеют форму диска, и в их составе находятся апобелки апоА, апоС и апоЕ. В кровеносном русле к ЛНП присоединяется белок-фермент лецитинхолестеринацилтрансфераза (ЛХАТ) (смотрите рисунок).

АпоС и апоЕ могут переходить от ЛВП на хиломикроны или ЛОНП. Поэтому ЛВП являются донорами апоЕ и апоС. АпоА является активатором ЛХАТ.

ЛХАТ катализирует следующую реакцию:

Это реакция переноса жирной кислоты из положения R2 на холестерин.

Реакция является очень важной, потому что образующийся эфир холестерина является очень гидрофобным веществом и сразу переходит в ядро ЛВП - так при контакте с мембранами клеток ЛВП удаляют из них избыток холестерина. Дальше ЛВП идут в печень, там разрушаются, и избыток холестерина удаляется из организма.

Нарушение соотношения между количеством ЛНП, ЛОНП и ЛВП может вызывать задержку холестерина в тканях. Это приводит к атеросклерозу. Поэтому ЛНП называют атерогенными липопротеинами, а ЛВП - антиатерогенными липопротеинами. При наследственном дефиците ЛВП наблюдаются ранние формы атеросклероза.

Функции белков клеточной мембраны. Мембранное равновесие

< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая >
   
Посмотреть оригинал

Функции белков клеточной мембраны определены как:

  • - структурная;
  • - рецепторная: у белков наружной поверхности клетки есть активный центр, который обладает сродством к различным веществам (гормонам, биологически активным веществам и т.д.);
  • - ферментативная активируется под влиянием различных факторов;
  • - транспортная - полностью погруженные в липидный гель белки образуют каналы, через которые проходят различные вещества.

Обнаружены каналы для всех потенциал образующих ионов: К+, Na+, Са2+, С1-. Каналы могут быть открыты или закрыты благодаря воротам. Существуют 2 вида ворот:

  • - активационные (в глубине канала); - инактивационные (на поверхности канала). Ворота могут находиться в одном из 3-х состояний:
  • - открытое состояние (открыты оба вида ворот);
  • - закрытое состояние (закрыты активационные ворота);
  • - инакгивационное состояние (закрыты инактивационные ворота). Существуют 2 вида клеточных каналов в зависимости от причины

их открытия [13] :

  • - потенциал зависимые - открываются при изменении разности потенциалов;
  • - потенциал не зависимые (гормон регулируемые, рецептор регулируемые) - открываются при взаимодействии рецепторов с химическими веществами.
  Посмотреть оригинал < Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая >
   


Смотрите также