какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду
Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду
В настоящее время искусственное кровообращение (ИК) является одной из наиболее часто применяемых методик в кардиохирургии, поскольку обеспечивает неподвижность операционного поля и дает возможность использования микрохирургической техники. Между тем длительная циркуляция крови в аппарате ИК сопровождается травмой ее форменных элементов и развитием внутрисосудистого гемолиза, чрезмерная выраженность которого чревата формированием почечной дисфункции, легочной гипертензии, гиперкоагуляции и полиорганной недостаточности в послеоперационном периоде [2, 14].
В процессе экстракорпоральной перфузии клетки красной крови подвергаются влиянию ряда агрессивных факторов ИК (механическому повреждению, гипероксии, температурному градиенту и др.). Среди последних ведущей признана механическая травма эритроцитов, испытывающих как мощную сдвиговую деформацию в турбулентном потоке крови вблизи ветвления магистралей, фиксации канюль и соединения модулей, так и умеренные сдвиговые нагрузки при ламинарном движении крови в магистралях и оксигенаторе [2, 9, 14]. В этих условиях способность эритроцитов обратимо изменять свою форму при сохранении клеточного объема (деформируемость) может во многом определять их гемолитическую стойкость, которая в свою очередь зависит от структуры липидной фазы мембраны эритроцитов и функционального состояния их цитоскелета [8]. Несмотря на общепринятую концепцию основополагающего вклада перфузиологического обеспечения в интенсивность интраоперационного гемолиза [2, 14], индивидуальные особенности структурно-функционального статуса эритроцитов у кардиохирургических больных могут быть значимым фактором, модулирующим выраженность постперфузионной гемоглобинемии.
Цель исследования: определить особенности структуры липидной фазы мембраны эритроцитов и ее роль в изменении деформируемости клеток у больных ишемической болезнью сердца, оперированных с применением идентичного перфузионного оборудования и проявляющих различную степень выраженности постперфузионного гемолиза.
Материал и методы исследования
В исследование вошло 45 больных (39 мужчин и 6 женщин) в возрасте от 50 до 66 лет, страдающих ишемической болезнью сердца (ИБС) с многососудистым поражением и перенесших операцию коронарного шунтирования с использованием ИК. Реваскуляризация миокарда проводилась в условиях нормотермии (36,07 ± 0,18 °С) и кристаллоидной кардиоплегии (Кустодиол, Германия). Экстракорпоральная перфузия осуществлялась на аппаратах ИК производства «Stokert» (Германия), оснащенных роликовыми насосами, с применением одноразовых мембранных оксигенаторов «Quadrox» (Швеция). Критериями исключения из исследования считали проведение у пациентов продленного после операции ИК, выполнение сочетанных операций, отказ от исследования.
В соответствии с обозначенной целью исследования проводили в двух группах пациентов, сформированных в зависимости от концентрации свободного гемоглобина в плазме крови после операции: с умеренным гемолизом (гемоглобинемия менее 40 мг/дл, 26 мужчин и 4 женщины) и с выраженным гемолизом (гемоглобинемия свыше 40 мг/дл, 13 мужчин и 2 женщины). Концентрация свободного гемоглобина в плазме крови 40 мг/дл была выбрана в качестве критерия распределения больных на группы, учитывая, что при гемоглобинемии свыше этого уровня наблюдаются клинические проявления внутрисосудистого гемолиза (прежде всего, желтуха) [3]. Больные двух групп сравнения были сопоставимыми по возрасту (в среднем 58,14 ± 1,29) и полу (87 % мужчин и 13 % женщин), функциональному классу стенокардии (III-IV) и продолжительности ИБС (4,81 ± 0,73 лет), но отличались по длительности ИК: при умеренном гемолизе 108,27 ± 7,51 мин, при выраженном 139,80 ± 13,17 мин (р Примечание. Здесь и в табл. 2: pк – уровень статистической значимости различий по сравнению с показателями у здоровых доноров, p1 – по сравнению с показателями у кардиохирургических больных до операции, p2 – по сравнению с показателями у больных с умеренным гемолизом.
Следует отметить, что длительность ИК хотя и является важным фактором, определяющим степень интраоперационной гемоглобинемии [2, 14], массивный лизис эритроцитов у больных с выраженным гемолизом нельзя объяснить только большей продолжительностью экстракорпоральной перфузии: последняя лишь на 30 % превышала таковую у пациентов с умеренной гемоглобинемией, в то время как уровень постперфузионной гемоглобинемии отличался в 2,5 раза. Возможно, до операции у больных ИБС с выраженным гемолизом имеет место качественный дефект эритроцитов, опосредующий снижение их гемолитической стойкости в условиях экстракорпорального кровообращения. Известно, что внутрисосудистое разрушение клеток крови во время ИК обусловлено турбулентным потоком крови и экстремальной по величине сдвиговой деформацией, действием струйных сил, сил гидродинамического удара, поверхностного натяжения, влиянием высокого гидростатического давления в насосах аппарата ИК и отрицательного давления в коронарном отсосе, которые проявляются в разной степени на различных участках экстракорпорального контура [14]. При этом поведение эритроцитов в потоке крови определяется их механической резистентностью и деформируемостью [8].
Как было показано в предыдущих исследованиях, механическая резистентность эритроцитов у больных с выраженным гемолизом соответствует норме и, следовательно, не может быть причиной повышенного разрушения клеток во время ИК [9]. Между тем деформируемость клеток красной крови у пациентов с выраженной гемоглобинемией оказалось пониженной: индекс ригидности эритроцитов (величина обратная деформируемости) превышал таковой у здоровых доноров и больных с умеренным гемолизом (см. табл. 1). Очевидно, недостаточная способность эритроцитов изменять свою форму при умеренных скоростях потока крови, близких к физиологическим, которая in vivo реализуется преимущественно в сосудах микроциркуляторного русла [8], а in vitro – в оксигенаторе и фильтрах, обусловливает деструкцию клеток красной крови во время ИК. Причиной низкой деформируемости эритроцитов могут быть структурные аномалии цитоскелета или бислоя липидов эритроцитарной мембраны, в частности, высокое соотношение ХС/ФЛ [8].
Содержание ХС и соотношение ХС/ФЛ в мембране эритроцитов у больных ИБС обеих групп исследования оказалось повышенным как до, так и после операции (см. табл. 1), что вполне характерно для заболеваний, сопряженных с атеросклерозом [6]. Однако у больных с выраженным гемолизом глубина обнаруженных девиаций была меньшей, чем в альтернативной группе пациентов. Это, вероятно, объясняется более молодой популяцией циркулирующих эритроцитов у данной категории больных, у которых в дооперационном периоде был зарегистрирован ретикулоцитоз (см. табл. 1). Данное явление лежит и в основе нормального соотношения различных фракций ФЛ в эритроцитарной мембране до операции в изучаемой когорте пациентов (табл. 2), что само по себе удивительно при наличии клинически верифицированного атеросклероза коронарных артерий. Между тем, у больных с умеренной гемоглобинемией отмечалось высокое относительное содержание лизофосфатидилхолина (ЛФХ) при низком уровне фосфатидилинозитола (ФИ) в дооперационном периоде, что сочеталось с отчетливой тенденцией к увеличению доли ФС на фоне незначительного дефицита фосфатидилхолина (ФХ) и фосфатидилэтаноламина (ФЭА) (см. табл. 2). Подобные изменения удельного содержания различных фракций ФЛ в эритроцитарной мембране свидетельствуют о типовой реакции клеток на повреждение при патологиях различного генеза [6].
Относительное содержание отдельных фракций фосфолипидов в мембране эритроцитов у больных ишемической болезнью сердца до и после операции с искусственным кровообращением (
)
Больные с умеренным постперфузионным гемолизом (n = 30)
Больные с выраженным постперфузионным гемолизом (n = 15)
Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду
Цельная кровь состоит из жидкой части (плазмы) и форменных элементов, к которым относят эритроциты, лейкоциты и кровяные пластинки — тромбоциты.
Функции крови:
1) транспортная — перенос газов (02 и С02), пластических (аминокислот, нуклеозидов, витаминов, минеральных веществ), энергетических (глюкоза, жиры) ресурсов к тканям, а конечных продуктов обмена — к органам выделения (желудочно-кишечный тракт, легкие, почки, потовые железы, кожа);
2) гомеостатическая — поддержание температуры тела, кислотно-основного состояния организма, водно-солевого обмена, тканевого гомеостаза и регенерации тканей;
3) защитная — обеспечение иммунных реакций, кровяного и тканевого барьеров против инфекции;
4) регуляторная — гуморальной и гормональной регуляции функций различньгх систем и тканей;
5) секреторная — образование клетками крови биологически активных веществ.
Функции и свойства эритроцитов
Эритроциты переносят 02 содержащимся в них гемоглобином от легких к тканям и С02 от тканей к альвеолам легких. Функции эритроцитов обусловлены высоким содержанием гемоглобина (95 % массы эритроцита), деформируемостью цитоскелета, благодаря чему эритроциты легко проникают через капилляры с диаметром меньше 3 мкм, хотя имеют диаметр от 7 до 8 мкм. Глюкоза является основным источником энергии в эритроците. Восстановление формы деформированного в капилляре эритроцита, активный мембранный транспорт катионов через мембрану эритроцита, синтез глютатиона обеспечиваются за счет энергии анаэробного гликолиза в цикле Эмбдена—Мейергофа. В ходе метаболизма глюкозы, протекающего в эритроците по побочному пути гликолиза, контролируемого ферментом дифосфоглицератмутазой, в эритроците образуется 2,3-дифосфоглицерат (2,3-ДФГ). Основное значение 2,3-ДФГ заключается в уменьшении сродства гемоглобина к кислороду.
В цикле Эмбдена—Мейергофа расходуется 90 % потребляемой эритроцитами глюкозы. Торможение гликолиза, возникающее, например, при старении эритроцита и уменьшающее в эритроците концентрацию АТФ, приводит к накоплению в ней ионов натрия и воды, ионов кальция, повреждению мембраны, что понижает механическую и осмотическую устойчивость эритроцита, и стареющий эритроцит разрушается. Энергия глюкозы в эритроците используется также в реакциях восстановления, защищающих компоненты эритроцита от окислительной денатурации, которая нарушает их функцию. Благодаря реакциям восстановления атомы железа гемоглобина поддерживаются в восстановленной, т. е. двухвалентной форме, что препятствует превращению гемоглобина в метгемоглобин, в котором железо окислено до трехвалентного, вследствие чего метгемоглобин неспособен к транспорту кислорода. Восстановление окисленного железа метгемоглобина до двухвалентного обеспечивается ферментом — метгемоглобинредуктазой. В восстановленном состоянии поддерживаются и серусодержащие группы, входящие в мембрану эритроцита, гемоглобин, ферменты, что сохраняет функциональные свойства этих структур.
Цикл Эмбден-Мейергоффа эритроцитов 
Эритроциты имеют дисковидную, двояковогнутую форму, их поверхность — около 145 мкм2, а объем достигает 85—90 мкм3. Такое соотношение площади к объему способствует деформабильно-сти (под последней понимают способность эритроцитов к обратимым изменениям размеров и формы) эритроцитов при их прохождении через капилляры. Форма и деформабильность эритроцитов поддерживаются липидами мембран — фосфолипидами (глицерофосфолипидами, сфинголипидами, фосфотидилэтаноламином, фосфатидилсирином и др.), гликолипидами и холестерином, а также белками их цитоскелета. В состав цитоскелета мембраны эритроцита входят белки — спектрин (основной белок цитоскелета), анкирин, актин, белки полосы 4.1, 4.2, 4.9, тропомиозин, тропомодулин, адцуцин. Основой мембраны эритроцита является липидный бислой, пронизанный интегральными белками цитоскелета — гликопротеинами и белком полосы 3. Последние связаны с частью белковой сети цитоскелета — комплексом спектрин—актин—белок полосы 4.1, локализованным на цитоплазматической поверхности липидного бислоя мембраны эритроцита (рис. 7.1).
Взаимодействие белкового цитоскелета с липидным бислоем мембраны обеспечивает стабильность структуры эритроцита, поведение эритроцита как упругого твердого тела при его деформации. Нековалентные межмолекулярные взаимодействия белков цитоскелета легко обеспечивают изменение размеров и формы эритроцитов (их деформацию) при прохождении этих клеток через микроциркуляторное русло, при выходе ретикулоцитов из костного мозга в кровь — благодаря изменению расположения молекул спектрина на внутренней поверхности липидного бислоя. Генетические аномалии белков цитоскелета у человека сопровождаются появлением дефектов мембраны эритроцитов. В результате последние приобретают измененную форму (так называемые сфероциты, элиптоциты и др.) и имеют повышенную склонность к гемолизу. Увеличение соотношения холестерин—фосфолипиды в мембране увеличивает ее вязкость, уменьшает текучесть и эластичность мембраны эритроцита. В результате снижается деформируемость эритроцита. Усиление окисления ненасыщенных жирных кислот фосфолипидов мембраны перекисью водорода или супероксидными радикалами вызывает гемолиз эритроцитов (разрушение эритроцитов с выходом гемоглобина в окружающую среду), повреждение молекулы гемоглобина эритроцита. Постоянно образующийся в эритроците глютатион, а также антиоксиданты (остокоферол), ферменты — глутатионредуктаза, супероксиддисмутаза и др. защищают компоненты эритроцита от этого повреждения.
Рис. 7.1. Схема модели изменений цитоскелета мембраны эритроцита во время его обратимой деформации. Обратимая деформация эритроцита изменяет лишь пространственную конфигурацию (стереометрию) эритроцита, следующую за изменением пространственного расположения молекул цитоскелета. При этих изменениях формы эритроцита площадь поверхности эритроцита остается неизменной. а — положение молекул цитоскелета мембраны эритроцита при отсутствии его деформации. Молекулы спектрина находятся в свернутом состоянии.
До 52 % массы мембраны эритроцитов составляют белки гликопротеины, которые с олигосахаридами образуют антигены групп крови. Глико-протеины мембраны содержат сиаловую кислоту, которая придает отрицательный заряд эритроцитам, отталкивающий их друг от друга.
Энзимы мембраны — Ка+/К+-зависимая АТФаза обеспечивает активный транспорт Na+ из эритроцита и К+ в его цитоплазму. Са2+-зависимая АТФаза выводит Са2+ из эритроцита. Фермент эритроцита карбоангидраза катализирует реакцию: Са2+ Н20 Н2С03 о Н+ + НСО3, поэтому эритроцит транспортирует часть углекислого газа от тканей к легким в виде бикарбоната, до 30 % С02 переносится гемоглобином эритроцитов в форме карбаминового соединения с радикалом NH2 глобина.
Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду
Сердечно-сосудистые заболевания на почве атеросклероза, в первую очередь, ишемическая болезнь сердца (ИБС) остаются одной из главных проблем здравоохранения индустриально развитых стран, в том числе России. Важно выделить ведущее патогенетическое звено, которое становится определяющим для фармакологической коррекции. Всемирная ассамблея ООН в 2002 году приняла программу по исследованию старения в XXI веке. Биохимические исследования с участием зрелых, средних, пожилых и старых людей признаны необходимыми для выявления факторов, маркеров риска и подходов к адекватной терапии возраст-ассоциированных заболеваний, разработки стратегии увеличения продолжительности жизни и улучшения ее качества в пожилом и старческом возрасте, поиска предикторов потенциального возраста дожития, а также для развития фундаментальных представлений о самом феномене старения.
Одной из актуальных задач является исследование особенностей стабильности и структурного состояния мембран в старших возрастных группах населения. С нарушениями липидного гомеостаза сопряжены атерогенез и высокий риск развития сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний. По мере увеличения возраста риск развития этих заболеваний нарастает. Пожилой возраст в целом характеризуется полиморбидностью; наиболее серьезными проблемами этой возрастной группы являются артериальная гипертензия, ишемическая болезнь сердца, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона.
Целью исследования явилось исследование стабильности и структурного состояния мембран эритроцитов у больных ишемической болезнью сердца разного возраста.
Материалы и методы исследования
Контрольную группу составили 30 практически здоровых людей соответствующего возраста (доноры). Биохимические исследования проводили в лаборатории биохимии НИИ биологии Южного федерального университета. Кровь брали утром натощак путем пункции локтевой вены. В качестве антикоагулянта использовали гепарин «Biochemie» (Австрия) 5000 МЕ/мл из расчета 0,1 мл гепарина на 10 мл крови. Для получения плазмы крови пробы центрифугировали 15 мин при 3000 об/мин. Плазму крови отбирали и хранили при +4 °С. Осадок эритроцитов после отделения плазмы ресуспендировали в 10 мл раствора 0,15 М NaCl в трис- HCl буфере pH 7,4, затем центрифугировали 15 мин при 3000 об/мин. После трехкратного промывания из осадка эритроцитов готовили суспензии с равным содержанием белка (0,5 мг/мл пробы) и 1 % гемолизат.
Стабильность мембран эритроцитов оценивали по уровню внеэритроцитарного гемоглобина (ВЭГ) и суммарной пероксидазной активности (СПА) в плазме крови [10]. Концентрацию гемоглобина определяли гемиглобинцианидным методом [12] с помощью стандартного набора фирмы «Эколаб» (Россия).
Структурное состояние мембран эритроцитов определяли с помощью флуоресцентного зонда пирена [2]. Микровязкость липидной фазы и зон белок-липидных контактов определяли методом латеральной диффузии зонда пирена в суспензии эритроцитов при концентрации белка 0,5 мг/мл и конечной концентрации зонда 8 мкМ.
Эффективность переноса энергии электронного возбуждения с триптофановых остатков мембранных белков на пирен оценивали по тушению флуоресценции суспензии эритроцитов при длине волны возбуждения 282 нм и длине волны флуоресценции 330 нм в отсутствие пирена и после инкубации с зондом.
Эффективность переноса энергии определяли по выражению:
Полярность липидного бислоя и зон белок-липидных контактов мембран эритроцитов оценивали по соотношению интенсивности флуоресценции двух мономерных форм F372/F393 в тонкой структуре пирена при длинах возбуждения 334 и 282 нм соответственно [5]. Статистическую обработку результатов проводили с использованием t-критерия Стьюдента.
Результаты исследования и их обсуждение
Таблица 1 Содержание продуктов ПОЛ в эритроцитах больных ИБС различных возрастных групп
Модельные липидные мембраны: Биологические мембраны имеют, как правило, очень сложную структуру и
Модельные липидные мембраны
Липосомы, или фосфолипидные везикулы (пузырьки), получают обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду. При этом происходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны.
Минимуму энергии Гиббса отвечает замкнутая сферическая одно-ламеллярная форма мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды (рис. 1.11).
Однако чаще получаются несферические многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных слоев, – многослойные липосомы.
Рис. 1.11.Схема строения однослойной липосомы
Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной средой. Толщина липидных слоев составляет, в зависимости от природы липидов, 6,5 – 7,5 нм, а расстояние между ними – 1,5 – 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется в пределах от 60 нм до 400 нм и более.
Однослойные липосомы можно получить различными методами, например из суспензии многослойных липосом, если обработать их ультразвуком. Диаметр однослойных липосом, полученных этим методом, составляет 25-30 нм. Разработаны и другие методы получения однослойных липосом, в том числе диаметром до 400 нм и более.
Липосомы представляют собой в некотором роде прообраз клетки. Они служат моделью для исследований различных свойств клеточных мембран.
Липосомы нашли непосредственное применение в медицине. Например, можно заключить внутрь липосом лекарственный препарат и использовать как фосфолипидную микрокапсулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани.
Липосомы не токсичны (при правильном подборе липидов), полностью усваиваются организмом, способны преодолевать некоторые биологические барьеры. Так, инсулин, заключенный в липосому, защищен от действия пищеварительных ферментов.
В настоящее время выясняется возможность вводить этот препарат в липосомах перорально, что может избавить больных диабетом от необходимости систематических уколов. Проводятся работы по разработке методов липосомальной терапии опухолей, ферментативной недостаточности, атеросклероза.
Изучается возможность прицельной доставки лекарственного препарата, заключенного в липосомах, к больному органу или даже к больному участку (в частности, к пораженному участку сердца).
Несмотря на заманчивые перспективы липосомальной терапии, еще имеется достаточно много нерешенных вопросов.
Рис. 1.12.Образование плоской бислойной липидной мембраны
Плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) –другой тип модельных мембран. Такие мембраны получают на маленьких отверстиях диаметром около 1 мм в пластинке из пластика (например, фторопласта), погруженной в водную среду.
На отверстие наносят каплю раствора липида (в спирте, ) хлороформе, гептане или других растворителях). Растворитель диффундирует из раствора в воду, и на отверстии остается пленка липида. Эта пленка спонтанно утончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной около 6 нм.
Лишний липид собирается в виде ободка-торуса у краев отверстия (рис. 1.12).
Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко используются в качестве моделей для изучения электрических свойств мембраны, их проницаемости и других научных исследований.
С помощью модельных мембран изучаютряд функций биологических мембран, а том числе, барьерную (например, селективность проницаемости – хорошую проницаемость для воды и плохую для ионов).
Можно моделировать биологический транспорт, вводя в модельную мембрану молекулы-переносчики.
контрольные вопросы, задачи, задания
1. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5 микрофарад/см2. По формуле плоского конденсатора оценить толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрическойпроницаемостью 2.
2. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате латеральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10
12 м2/с. Сравните с окружностью эритроцита диаметром 8 мкм.
3. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жидкокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембраны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?
4. С помощью спин-меченых молекул фосфолипидов установлен градиент вязкости по толщине мембраны. Опишите эксперимент. Где вязкость выше: у поверхности мембраны или в ее центре?
типовые тесты текущего контроля
1.1. Толщина биологической мембраны:
1.2. Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны включает в себя:
1. белковый слой, полисахариды и поверхностные липиды!
2. липидный монослой и холестерин
3. липидный бислой, белки, микрофиламенты
1.3. Липидная часть биологической мембраны находится в следующем физическом состоянии:
2. твердом кристаллическом
3. твердом аморфном
1.4. Удельная электрическая емкость мембраны аксона:
1.5. Характерное время переноса молекулы фосфолипидоф из одного положения равновесия в другое при их диффузии:
2. 10-10 – 10-12 10-7 – 10-8 с
3. 1 – 2 часа 10 – 50 с
1.6. Фазовый переход липидного бислоя мембран из жидкокристаллического состояния в гель сопровождается:
1. утоныпением мембраны
2. толщина мембраны не меняется
3. утолщением мембраны
ГЛАВА 2. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ
Живые системы на всех уровнях организации – открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны – необходимое условие жизни.
С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям.
Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.
Большое значение для описания транспорта веществ имеет понятие электрохимического потенциала.
Химическим потенциалом данного вещества μк называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества. Математически химический потенциал определяется как частная производная от энергии Гиббса G по количеству k-ro вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ m1(l≠k):
Для разбавленного раствора концентрации вещества С:
где μQ- стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концентрации 1 моль/л в растворе.
Электрохимический потенциал μ – величина, численно равная энергии Гиббса G на один моль данного вещества, помещенного в электрическом поле.
Для разбавленных растворов
где F = 96500 Кл/моль – число Фарадея, Z – заряд иона электролита (в элементарных единицах заряда), φ- потенциал электрического поля, Т [К] – температура.
Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на два основных типа: пассивный и активный.
Мембраны биологические
Мембраны биологические (от лат.
membrana-кожица, перепонка), сложные высокоорганизованные надмолекулярные структуры, ограничивающие клетки (клеточные, или плазматические, мембраны) и внутриклеточные органоиды – митохондрии, хлоропласты, лизосомы и др.
Представляют собой пленки толщиной 5-10 нм, состоящие главным образом из белков и липидов. Отношение липиды: белки (по массе) колеблется от 4:1 (мембрана миелина) до 1:3 (внутр. мембрана митохондрий).
Биологические мембраны содержат также углеводы (до 10% от сухого вещества по массе), которые, как правило, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов. В некоторых специализированных биологических мембранах в заметных количествах могут присутствовать также хиноны (напр., убихиноны), каротиноиды.
ретиноиды (ретинол, ретиналь и др.), токоферолы. долихолы (содержат 16-20 пренильных остатков, из которых концевой, несущий группу ОН, полностью насыщен) и порфирины. Ок. 20% всей массы мембраны составляет прочно связанная вода. С мембранами связываются также катионы. преим. Са2+ и Mg2+, входящие в хелатные комплексы.
Важнейшая функция биологических мембран – регуляция обмена веществ между клеткой и средой, а также между различными отсеками (компартментами) внутри самой клетки.
Липиды мембран. Основные липидные компоненты биологические мембраны – фосфолипиды, гликолипиды и стерины. Каждая группа этих липидов представлена большим числом разнообразных соединений.
Так, в мембране эритроцитов человека содержится не менее 20 различных представителей основного фосфолипида этой мембраны – фосфатидилхолина.
в целом же в мембране эритроцитов идентифицировано около 200 различных липидов.
В клетках млекопитающих плазматические мембраны обогащены холестерином и гликосфииголипидами, тогда как мембраны органоидов содержат эти липиды в малых количествах.
Наиболее распространенные липиды, имеющие цвиттер-ионную структуру, в большинстве мембран клеток млекопитающих – фосфатидилхолин и сфингомиелин (в митохондриальных мембранах – фосфатидилэтаноламин).
Дифосфатидилглицерин в значительных количествах присутствует только в мембранах митохондрий (в основном в их внутренней мембране). В плазматических мембранах содержание фосфатидилсерина обычно больше, чем фосфатидилинозита (фосфоинозитида), для внутриклеточных мембран характерно обратное соотношение.
В мембранах миелина широко представлены цереброзиды. Другие плазматические мембраны содержат, как правило, более сложные гликолипиды, такие, например, как ганглиозиды. Фосфатидилэтаноламин в мембранах миелина и тромбоцитов находится преим. в плазмалогеновой форме.
Мембраны клеток высших растений и дрожжей по липидному составу во многом сходны с соответствующими мембранами клеток млекопитающих. Однако в них совсем нет сфингомиелина, а фосфатидилсерин присутствует лишь в следовых количествах.
Главные стерины мембран растительных клеток – ситостерин и стигмастерин, мембран грибов и дрожжей – эргостерин и зимостерин.
Мембраны хлоропластов фотосинтезирующих растений и синезеленых водорослей близки по своему липидному составу и содержат моно-и дигалактозилдиацилглицерины, 6-сульфохиновозилдиа-цилглицерин и фосфатидилглицерин.
Мембраны бактерий, как правило, имеют более простой липидный состав, чем мембраны раститительных и животных клеток. Все бактерии, за исключением микоплазм, не содержат стеринов. Фосфолипиды мембран грамположительных бактерий представлены главным образом фосфатидилглицериноми его аминоациальными производными, а также дифосфатидилглицерином.
В небольшом количестве в этих мембранах нередко встречается фосфатидилинозит. У грамотрицательных микроорганизмов в составе мембранных фосфолипидов преобладает Фосфатидилэтаноламин. Фосфатидилхолин в бактериальных мембранах либо совсем не содержится, либо присутствует в малых количествах. фосфатидилсерина в этих мембранах обычно также незначительно.
Широко представлены в бактериальных мембранах различные гликозилдиацилглицерины.
Основные компоненты мембран оболочечных вирусов (вирус гриппа, лейковирусы, вирус стоматита), как и плазматических мембран клеток животных – фосфатидилхолин, сфингомиелин, Фосфатидилэтаноламин и холестерин.
Липидный состав клеточных мембран изменчив. В меньшей степени это проявляется в животных клетках, находящихся в условиях стабильной внутренней среды. Однако и в этом случае можно модифицировать состав липидов в некоторых мембранах, меняя пищевой рацион.
Липидный состав мембран растений заметно изменяется в зависимости от освещенности, температуры и рН. Еще более изменчив состав бактериальных мембран. Он варьирует не только в зависимости от штамма, но и в пределах одного и того же штамма, а также от условий культивирования и фазы роста.
У вирусов, имеющих липопротеиновую оболочку, липидный состав мембран также не постоянен и определяется составом липидов клетки-хозяина.
Липиды – основной строительный материал, из которого формируются клеточные мембраны. Сложность, многообразие и изменчивость липидного состава мембран позволяет предположить, что они участвуют также в регуляции важнейших мембранных процессов.
Мембранные белки. Молекулярная масса мембранных белков обычно варьирует в пределах от 10 тыс. до 240 тыс. Они значительно различаются между собой по прочности связывания с мембраной.
Белки, называемые периферическими или поверхностными, сравнительно слабо связаны с мембраной и отделяются от нее в мягких условиях, например в растворах, имеющих высокую ионную силу или содержащих комплексоны. Намного прочнее связаны с мембраной т. наз. интегральные, или внутримембранные, белки (см. рис.).
Чтобы их выделить, требуется, как правило, предварительно разрушить мембрану с помощью ПАВ или органических растворителей.
Периферические белки по своим свойствам мало отличаются от обычных водорастворимых белков. Характерная особенность интегральных белков – плохая растворимость в воде и склонность к образованию ассоциатов. Их удается перевести в раствор при добавлении ПАВ, иногда с помощью орг. растворителей (например, 2-хлорэтанола, бутанола, ДМФА).
Особенность интегральных белков – наличие в их полипептидной цепи довольно протяженных участков с преобладающим содержанием неполярных аминокислот.
Как правило, эти участки имеют конформацию α-спирали, на наружной стороне которой расположены боковые углеводородные фрагменты аминокислотных остатков, в результате чего вся спираль, в целом, приобретает гидрофобный характер.
Доля α-спиральных участков в мембранных белках довольно велика (составляет 30-50%), остальная часть полипептидной цепи находится преимущественно в форме неупорядоченного клубка. Участков с β-структурой, как правило, мало.
Гидрофобные α-спиральные участки интегральных белков обычно содержат от 17 до 26 аминокислотных остатков, что вполне достаточно, чтобы полипептидная цепь однократно пересекла биологические мембраны.
В белках, которые пронизывают биологические мембраны насквозь, такие гидрофобные тяжи соединяют между собой полярные области белковой молекулы, находящиеся на противоположных сторонах мембраны.
У белков, расположенных только на одной стороне биологические мембраны и погруженных в нее лишь частично, a-спирали служат своеобразным гидрофобным “якорем”, прочно удерживающим белок в мембране. В некоторых случаях “заякоривание” белков в биологические мембраны происходит при помощи ковалентно связанных с ними липидов.
Типичные примеры белков, которые удерживаются в биологические мембраны благодаря гидрофобному α-спиральному участку полипептидной цепи,-цитохром b5-редуктаза и цитохром b5.
К белкам, полипептидная цепь которых однократно пересекает биологические мембраны, относятся, например, антигены тканевой совместимости и мембраносвязанные иммуноглобулины, к белкам, пересекающим биологические мембраны более одного раза,-бактериородопсин.
Нередко мембранные белки представляют собой сложные комплексы, состоящие из несколько субъединиц (например, цитохром с-оксидаза состоит из 12 субъединиц).
Мембранные белки наряду с липидами играют важную структурную роль, кроме этого они ответственны за выполнение подавляющего большинства специализированных функций отдельных мембран. Они служат катализаторами протекающих в мембранах и на их поверхности реакций, участвуют в рецепции гормональных и антигенных сигналов и т.п.
, выполняют транспортные функции, обеспечивают пиноцитоз (захват клеточной поверхностью и поглощение клеткой жидкости), хемотаксис (перемещение клетки, обусловленное градиентом концентраций каких-либо вещества в среде) и т.п.
Мнхогие из периферически белков-компоненты цитоскелета (совокупность филаментов и микротрубочек цитоплазмы) и связанных с ним сократительных элементов, которые обусловливают форму клетки и ее движение.
Ферментативная активность присуща многим мембраносвязанным белкам, причем мембраны различных клеток и отдельных органоидов имеют свой характерный набор ферментов. Как правило, ферментные белки располагаются в биологические мембраны в определенном порядке, который делает возможным последовательное протекание реакций метаболии, цикла.
Молекулярная организация мембран. Структурная основа биологических мембран – липидный бислой. В продольной плоскости биологические мембраны представляет собой сложную мозаику из разнообразных липидов и белков, причем их распределение по поверхности биологические мембраны неоднородно.
В некоторых биологические мембраны имеются обширные участки липидного бислоя, практически свободные от белков (напр., в эритроцитах белки занимают только 35% площади поверхности всей биологические мембраны, в микросомах-23%).
При высоком содержании белка в биологические мембраны липиды не образуют сплошной бислой, а располагаются в виде отдельных вкраплений между белковыми молекулами.
Сам липидный бислой в мембране может иметь доменную структуру в результате, например, сосуществования несмешиваемых липидных фаз, находящихся в двух различных физических состояниях – гелевом и жидкокристаллическом.
Специфическое взаимодействие между отдельными белками приводят к тому, что в биологические мембраны образуются белковые ассоциаты, или ансамбли, которые по составу и свойствам отличаются от окружающих участков мембраны и часто окружены липидами определенного типа.
Иногда липопротеиновые участки биологические мембраны, содержащие характерный набор белков и липидов, удается выделить при фрагментации мембран.
Образование ассоциатов белков может происходить также в результате их специфического связывания на поверхности биологические мембраны с некоторыми водорастворимыми белками (например, с антителами, лектинами) или при фазовом переходе липидов в мембране (обычно белки скапливаются там, где липиды продолжают оставаться в жидкокристаллич. состоянии).
Неоднородность биологические мембраны связана также со структурными и функциональными различиями наружной и внутренних сторон мембраны, обусловленными неодинаковым распределением отдельных компонентов (белков, липидов, углеводов и др.). Характерный пример асимметрического распределения липидов – плазматическая мембрана эритроцитов.
Холинсодержащие фосфолипиды (фосфатидилхолин и сфингомиелин) преобладают у них на наружной стороне мембраны, а фосфатидилэтанол-амин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозит связаны преимущественно с ее внутренней поверхностью, обращенной в сторону цитоплазмы. Сходное распределение фосфолипидов обнаружено в плазматических мембранах др.
Если асимметрия в расположении липидов в большинстве случаев в биологические мембраны носит относит. характер (т.е. на наружной и внутр. стороне мембраны находятся обычно одни и те же липиды, хотя и в разной концентрации), то асимметрия в расположении белков является абсолютной – все молекулы данного белка определенным образом расположены в мембране.
Так, цитохром b5 всегда локализован только на цитоплазматической стороне мембраны эндоплазматического ретикулума.
В случае проникающего через мембрану эритроцитов белка гликофорина (ответствен за многие функции, в том числе препятствует слипанию эритроцитов) N-конец полипептидной цепи, содержащий ковалентно связанные углеводы, находится на наружной поверхности, а С-конец-на цитоплазматической стороне мембраны.
Строго определенную ориентацию в биологические мембраны имеют все молекулы бактериородопсина, у которого полипептидная цепь несколько раз пересекает липидный бислой, а также сложные белковые комплексы, состоящие из нескольких субъединиц (напр., цитохромоксидаза, аденилатциклаза).
Отдельные компоненты М. б. могут менять свое взаимное расположение, перемещаться в ней на значительные расстояния, а также покидать мембрану или внедряться в нее в ходе различных метаболических процессов.
Такая динамичность позволяет биологические мембраны быстро адаптироваться к изменению условий окружающей среды и оперативно откликаться на разнообразные внешние сигналы и стимулирующие воздействия.
Динамические свойства биологические мембраны обусловлены текучестью липидного бислоя, гидрофобная область которого в жидкокристаллическом состоянии имеет микровязкость, сравнимую с вязкостью легкой фракции машинного масла. Поэтому молекулы липидов, находящиеся в бислое, обладают довольно высокой подвижностью и могут совершать разнообразные движения – поступательные, вращательные и колебательные.
В случае липидов большой вклад в подвижность дают внутримолекулярные движения углеводородных цепей. Они происходят путем гош-транс-поворотов смежных звеньев углеводородной цепи вокруг связи С—С.
Благодаря высокой конформац.
подвижности цепей в них постоянно возникают изгибы и изломы, что приводит к нарушению регулярного расположения липидных молекул в бислое и к появлению в нем дефектов упаковки, называемых “кинки” и “джогги”.
Внутримолекулярная подвижность различных участков липидной молекулы, находящейся в бислое, неодинакова.
Наименьшей подвижностью обладает глицериновый остов молекулы, который служит как бы жестким “якорем”, ограничивающим движения близлежащих участков углеводородных цепей.
По направлению к середине бислоя подвижность цепей возрастает и становится максимальной в области концевых метильных групп. Довольно высокой недвижностью обладает также полярная головка липидной молекулы.
Помимо движений отдельных участков липидной молекулы относительно друг друга в жидкокристаллическом бислое происходят также движения всей молекулы как единого целого.
Они включают: аксиальное вращение молекулы вокруг ее длинной оси, перпендикулярной к плоскости бислоя, маятниковые и поплавочные колебания молекулы относительно ее равновесного положения в бислое, перемещение молекулы вдоль бислоя (латеральная диффузия) и перескок ее с одной стороны бислоя на другой (флип-флоп). Все эти движения совершаются с разными скоростями.
Аксиальное вращение липидных молекул происходит очень быстро с частотой порядка 107-108с-1, тогда как латеральная диффузия осуществляется гораздо медленнее. Тем не менее, при среднем коэффициенте латеральной диффузии липидов ок. 10-8см2.
с-1, измеренном для многих биологических мембран, липидной молекуле потребуется всего 1 с, чтобы промигрировать от одного конца клетки до другого. Очень медленно протекает в липидном бислое флип-флоп. Обычно полупериод флип-флопа составляет величины порядка нескольких часов или даже дней.
Однако в некоторых мембранах скорость флип-флопа биологические мембраны значительно выше (полупериод 1-2 мин), что объясняется участием определенных интегральных белков в переносе липидных молекул через мембрану.
Иммобилизация липидов может происходить в результате латерального фазового разделения, приводящего к образованию гелевой фазы, или при их взаимодействии с белками.
Предполагается, что интегральные белки окружены пограничным слоем липидных молекул (так называемые аннулярные липиды), подвижность которых ограничена или, по крайней мере, нарушена в результате контакта с неровной поверхностью белковой глобулы.
Внутримолекулярная динамика мембранных белков изучена меньше, чем липидов. Известно лишь, что боковые заместители на тех участках полипептидной цепи, которые погружены в липидный бислой, в значительной мере иммобилизованы.
Многие мембранные белки способны легко диффундировать вдоль мембраны и обладают довольно высокой вращательной подвижностью. Но даже в случае самых подвижных белков измеряемые коэффициенты диффузии примерно на порядок ниже, чем для липидных молекул.
Времена вращательной релаксации для интегральных белков лежат в диапазоне от 20 до 500 мкс, а коэффициент латеральной диффузии (вдоль бислоя) варьирует от 7.10-9 до 10-12см2.с-1.
Быстрая диффузия белков вдоль мембраны наблюдается только в жидкокристаллическом бислое, в гелевой фазе белки не мигрируют. Мобильными являются 20-50% мембранных белков, остальные имеют ограниченную подвижность или совсем неподвижны.
Причиной иммобилизации интегральных белков в мембране биологические мембраны их ассоциация с образованием крупных агрегатов или даже двухмерных кристаллических структур, взаимодействие с периферическими белками, связывание с элементами цитоскелета и т.п.
Исследования биологические мембраны представляют собой важную, активно развивающуюся область современной биологии. С успехами в области изучения мембран связаны многих достижения в медицине, например установление механизмов возникновения некоторых сердечнососудистых заболеваний и поиск подходов к их лечению.
Идеи и методы, возникшие при исследовании мембран, находят широкое применение в онкологии, технологии создания искусственных органов, в трансплантационной иммунологии, эмбриологии и др.
Знание процессов, происходящих в мембранах, играет важную роль в развитии таких направлений, как биоэнергетика и поиск эффективных путей утилизации солнечной энергии, создание биосенсорных устройств, мембранная технология и др.
Лит.: Ивков В. Г., Берестовский Г. Н., Динамическая структура ли-пидного бислоя, М., 1981; Бергельсон Л. Д., Мембраны, молекулы, клетки, М., 1982; Ивков В. Г., Берестовский Г. Н., Липидный бислой биологических мембран, М., 1982; Кагава Я.
, Биомембраны, пер. с япон., М., 1985; Сим Э., Биохимия мембран, пер. с англ., М., 1985; Болдырев А. А., Введение в биохимию мембран, М., 1986; Биологические мембраны, под ред. Дж. Б. С. Финдлея и В. X. Эванза, пер. с англ., М., 1990. Л. И. Барсуков.
выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
Биологические мембраны
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ И ФУНКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
Биологические мембраны — это активный молекулярный комплекс с высокоизбирательными свойствами, обеспечивающий обмен веществ и энергии с окружающей средой. В мембранах находятся специфические молекулярные насосы и каналы, с помощью которых регулируются молекулярный и ионный состав внутриклеточной среды.
Помимо внешней цитоплазматической мембраны (плазмолемма) в клетках эукариотов имеются еще и внутренние мембраны, ограничивающие различные внутриклеточные компартменты (отсеки), например митохондрии, лизосомы, хлоропласты и т. д. Мембраны регулируют также обмен информацией между клетками и средой (восприятие внешних стимулов) и т. д.
Мембраны различаются как по функции, так и по структуре. Однако всем им присущи следующие основные свойства:
■ мембраны представляют собой плотную структуру толщиной в несколько молекул, 60-100 А, образующую сплошную перегородку между отдельными клетками и внутриклеточными отсеками;
■ мембраны главным образом состоят из липидов и белков. В мембранах имеются также углеводные компоненты, связанные с липидами и белками;
■ липиды мембран представлены относительно небольшими молекулами, несущими гидрофильные и гидрофобные группы. В водной среде эти молекулы спонтанно образуют замкнутые бимолекулярные слои, которые служат барьером для проникновения полярных соединений;
■ большинство функций мембран опосредуются специфическими белками, которые могут играть роль насосов, каналов, рецепторов, ферментов и т. д.
В состав мембран входят три основных типа липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерин.
СТРОЕНИЕ МЕМБРАН
Фосфолипиды мембран. Среди липидных компонентов мембран главенствующая роль принадлежит фосфолипидам — веществам, производным либо трехатомного спирта глицерола (глицерофосфолипиды), либо более сложного спирта сфингозина (сфингофосфолипиды).
Все основные глицерофосфолипиды являются производными фосфатидной кислоты, этерифицированной с гидроксильной группой спиртов, таких как серии (серинфосфатиды — кефалины), этаноламин, холин (холинфосфа-тиды), кардиолипин (дифосфатидилглицерол) и инозитол (фос-фатидилинозитол).
Из сфингофосфолипидов основным является сфингомиелин, основу которого составляет сфингозин — аминоспирт с длинной ненасыщенной углеводородной цепью. В состав сфингомиелина входит также азотистое основание холин.
Независимо от структурных разнообразий каждая молекула фосфолипида в водной среде — это амфипатическая молекула с полярной головкой и неполярной хвостовой частью. Полярная головка образуется за счет остатков спиртовых групп, азотистых оснований и фосфорной кислоты. Хвостовая же часть – за счет радикалов двух жирных кислот насыщенного и ненасыщенного ряда.
Благодаря своим амфипатическим свойствам фосфолипиды в водной среде спонтанно формируют липидные бислои, где полярные головки фосфолипидов направлены в сторону растворимой части клетки с образованием водородных связей с диполями воды, а неполярные хвосты — внутрь бислоя, скрепляясь между собой за счет гидрофобных взаимодействий.
Именно бислойная структура фосфолипидов определяет полупроницаемые свойства мембран.
В качестве примера можно привести фосфатидилэтаноламин и фосфатидилхолин. Оба они имеют в верхней части молекулы полярные головки NH4 (фосфатидилэтаноламин) и N+ (фосфатидилхолин), которые через остаток фосфорной кислоты и глицерина присоединены к двум остаткам жирных кислот, из которых одна насыщенная, другая — ненасыщенная (рис. 1).
| Фосфолипиды с ненасыщенными жирными кислотами | Фосфолипиды с насыщенными жирными кислотами |
В 1972 г. С. Дж. Сингер и Г. Никольсон сформулировали теорию строения мембран, согласно которой мембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру.
При обычной для клетки температуре мембранный бислой находится в жидком состоянии, что обеспечивается определенным соотношением между насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами в гидрофобных хвостах полярных фосфолипидов.
Жирные кислоты с ненасыщенными связями характеризуются большей гибкостью (в отличие от насыщенных ЖК) и способностью создавать изгибы, что предотвращает плотную упаковку, затрудняет «замораживание» мембран и таким образом влияет на их текучесть ().
Упаковка углеводородов в бислое зависит от температуры.
При низких температурах бислой находится в виде геля и упакован плотно, при высоких же температурах (температура тела) бислой фактически «расплавляется» и становится текучим, позволяя липидным молекулам двигаться вокруг своей оси, вращаться, меняться местами. Это, в свою очередь, способствует перемещению уже других компонентов в мембране, в частности белков.
Мембранные гликолипиды. Следующим важным компонентом мембран являются гликолипиды — липиды, содержащие углеводы.
Гликолипиды животных клеток, подобно сфингомиелину, являются производными спирта сфингозина, связанного с ацильным радикалом.
Отличие между этими липидами заключается в том, что в гликолипидах к сфингозиновому остатку присоединены один или несколько остатков сахара, а в сфингомиелине — фосфорилхолин.
Гликолипиды могут быть простые и сложные. Простейший гликолипид — цереброзид, содержащий только один остаток сахара (глюкозу или галактозу). В более сложных гликолипидах число сахарных остатков может достигать семи (ганглиозиды)
Гликолипиды в мембранах могут выполнять защитную, полупроводниковую, рецепторсвязывающую роль. Среди молекул, способных связываться с гликолипидами, встречаются также такие клеточные яды, как холера, токсин тетануса и др.
Холестерин в мембранах. Другой представитель липидов в мембранах — это холестерин. Количество его в мембранах варьирует в зависимости от типа клеток.
В плазматических мембранах в среднем на каждую молекулу фосфолипида приходится примерно 1 молекула холестерина. У других (например, бактерий) — холестерина нет вообще.
У холестерина так же, как у фосфолипидов, имеются участки полярные и неполярные.
Внутри мембран холестерин внедряется между фосфолипидами и ориентируется в том же направлении, что и сами молекулы фосфолипидов. Таким образом, полярная головка холестерина оказывается в той же плоскости, что и полярные головки фосфолипидов (рис. 2).
В мембранах холестерин выполняет следующие функции:
■ фиксируют первые несколько ближайших углеводородных групп, входящих в состав фосфолипидных жирных кислот. Это делает липидный бислой более устойчивым к деформациям и ограничивает прохождение через них небольших водорастворимых молекул. В случае отсутствия холестерина (как, например, у бактерий) клетка нуждается в оболочке;
■ предотвращает кристаллизацию углеводородов и фазовые сдвиги в мембране.
Мембранные белки. В то время как мембранные липиды ответственны за создание барьера проницаемости, мембранные белки опосредуют отдельные функции мембран, т. е. транспорт веществ, передачу информации, энергии и т. д.
Соотношение между липидами и белками у разных мембран может быть разным, например, миелин, изолятор нервных клеток, содержит только 18% белков и 76% липидов, а митохондриальная внутренняя мембрана, наоборот — содержит 76% белков и только 24% липидов.
В зависимости от характера локализации в мембранах выделяют белки интегральные (трансмембранные), периферические и «заякоренные».
Интегральные белки пронизывают бислой мембраны насквозь и благодаря своим бифильным свойствам фиксируются в нем. Белки, пронизывающие мембрану только один раз, называют однократно пронизывающими белками, а несколько раз — многократно пронизывающими.
Периферические белки локализуются на поверхности мембран и скрепляются только за счет электростатических взаимодействий и водородных связей. Довольно часто периферические белки присоединяются к некоторым участкам интегральных белков (рис. 3).
Олигосахариды Гликопротеины Олигосахариды
Рис. 3. Белковый состав мембран
«Заякоренные» белки фиксируются в мембранах с помощью коротких хвостовых липофильных доменов, образованных либо за счет гидрофобных аминокислотных остатков (цитохром b5), либо за счет ковалентно связанных ацильных радикалов (фермент щелочная фосфатаза).
Участки белков, которые обращены во внеклеточную среду, могут подвергаться гликозилированию.
Транспортные белки. Мембранным белкам принадлежит решающая роль в транспорте веществ через мембраны, и для выполнения этой роли наилучшим образом подходят интегральные белки, которые охватывают пространство как внутриклеточное, так и межклеточное.
Транспорт веществ через мембраны белки осуществляют различными способами; они могут выступать в качестве белковых насосов, каналов, транспортеров.
АТР – зависимые насосы, представляют собой АТРазы, которые способствуют движению через мембраны ионов или небольших молекул против их концентрационного градиента (или электрохимического потенциала) за счет энергии расщепления АТР. Такой вид транспорта известен как активный транспорт.
С активным транспортом сопряжены определенные химические реакции, так, например, благодаря таким насосам в животных клетках обеспечивается поддержание низких концентраций Са2+ внутри клетки и высокое содержание ионов Nа+ в межклеточном пространстве, низкое значение рН в желудочном соке у человека и животных (моногастричных), внутри лизосом клеток, вакуолей растительных клеток.
Белковые каналы обеспечивают быстрое (до 108 молекул в секунду) перемещение одновременно молекул воды и других молекул и ионов по направлению снижения их концентрационного градиента (или электрохимического потенциала). Такие перемещения молекул обычно являются энергетически выгодными.
Так, плазматические мембраны всех животных клеток содержат К+ – специфичные белковые каналы, которые открываются и закрываются в определенное время. Другие белковые каналы в это время закрыты и открываются только в ответ на воздействие специальных сигналов.
Особенно большую роль играют такие каналы в нервных клетках.
Белки-транспортеры способствуют транспорту различных ионов и молекул через мембрану; однако, в отличие от канальных белков, белки-транспортеры связывают одну (или несколько) молекул субстрата одновременно, что приводит к изменению конформации белка и в результате к транспорту этих связанных молекул через мембрану. Такие транспортеры могут переносить в клетку около 102-104 молекул в секунду, что гораздо медленнее, чем движение по белковым каналам.
Обнаружены 3 типа белка-транспортера.
Юнипортеры осуществляют транспорт через мембрану животных клеток молекул одного типа в сторону уменьшения их концентрационного градиента, например, глюкозу, аминокислоты.
Антипортеры и симпортеры обеспечивают согласованный ко-транспорт одних молекул или ионов через мембрану против их концентрационного градиента с движением других молекул или ионов в процессе их перемещения в сторону уменьшения их концентрационного градиента.
АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ
Активный транспорт — это транспорт веществ через мембраны за счет потребления энергии расщепления АТР. Активным транспортом осуществляется транспорт некоторых ионов и небольших молекул против их концентрационного градиента.
Белки, участвующие в активном транспорте через мембраны (белковые насосы), условно подразделяют на 4 класса: суперсемейство белков АВС, белки класса Р., F., и V. Белки класса Р., F. и V транспортируют только ионы, а АВС — небольшие молекулы и ионы.
Белки (насосы) Р. – класса состоят из 2 субъединиц – α и β; α – субъединица содержит АТР – связывающий участок и является каталитической, а β – субъединица – регуляторной.
Большинство белков этого класса являются тетрамерами, составленными из 2 α, и 2 β – субъединиц.
В процессе транспорта, по крайней мере, одна из α – субъединиц сначала подвергается фосфорилированию (поэтому и обозначается как «Р»), и именно через нее происходит транспорт ионов.
К белкам Р – класса относятся:
■ Nа+/К+- АТРаза — фермент, локализованный в плазматической мембране и регулирующий внутриклеточное содержание ионов Nа+ и К+ в клетках животных;
■ Са2+- АТРазы — насосы, перекачивающие ионы Са2+ из цитозоля в межклеточное пространство против их концентрационного градиента для поддержания низкого уровня кальция (10-2 М) в цитоплазме клеток животных, дрожжей и растений.
Помимо плазматических Са2+-АТРаз клетки мышц содержат еще другую Са2+-АТРазу (мышечный Са2+-й насос), которая осуществляет перекачивание ионов кальция из цитозоля в саркоплазматический ретикулум (СР) — внутриклеточное хранилище кальция;
■ мембранные белки эпителиальных клеток желудка у млекопитающих, способствующие поступлению соляной кислоты в желудок;
■ Н+- насосы, транспортирующие протоны водорода из клетки взамен поступления ионов К+ внутрь клетки;
■ Н+- насосы, регулирующие мембранный электрический потенциал в клетках растений, грибов, бактерий. Эти насосы не содержат фосфопротеиновой части.
Ионные насосы класса F и V структурно похожи друг на друга, но гораздо сложнее, чем белки класса Р.
Насосы F и V состоят из 3 трансмембранных белков и 5 различных полипептидов, которые ориентированы в цитозольную часть белка и формируют внутрицитозольный домен.
Некоторые субъединицы трансмембранных белков, ориентированные во внешнюю часть биомембран, структурно аналогичны внутрицитозольным доменным полипептидам.
Насосы класса V в основном участвуют в поддержании низкого значения рН в вакуолях растений и лизосомах и других кислотных везикулах животных клеток за счет расходования энергии расщепления АТР и перекачивая протоны водорода через мембрану из цитозоля в межклеточное пространство против протонного электрохимического градиента.
Насосы класса F найдены в плазматических мембранах бактерий, мембранах хлоропластов и митохондрий.
В отличие от насосов класса V их функция в основном направлена на синтез АТР из АDР и неорганического фосфата за счет движения протонов водорода из цитозольного межмембранного пространства в сторону уменьшения электрохимического градиента.
Последний класс АTР – зависимых транспортных белков — это суперсемейство АВС (АТР-binding cassette). Этот класс включает до 100 различных транспортных белков, и обнаружены они в клетках всех организмов. Каждый АВС – белок специфичен по отношению к одному какому-то субстрату, или группе субстратов, похожих друг на друга, включая ионы, углеводы, пептиды, полисахариды и даже белки.
Все АВС – транспортные белки объединяет наличие у них 4 главных доменов — двух трансмембранных доменов (Т), образующих так называемые ворота для «прохождения» молекул через мембрану, и двух внутрицитозольных домена (А), участвующих в связывании АТР.
Таких АТР – связывающих участков у АВС – белков могут быть один или два, и их часто называют АТРазами, хотя и не всегда они проявляют АТР – гидролизующие свойства.
В отдельных случаях такие трансмембранные белки могут проявить АТР – синтезирующие свойства, что играет решающую роль при синтезе АТР в митохондриальных мембранах.
БИОЛОГИ́ЧЕСКИЕ МЕМБРА́НЫ
Авторы: А. А. Болдырев
БИОЛОГИ́ЧЕСКИЕ МЕМБРА́НЫ (лат. membrana – кожица, оболочка, перепонка), структуры, ограничивающие содержимое клеток (клеточная, или плазматическая, мембрана, плазмалемма) и внутриклеточных органелл.
У прокариот имеется только клеточная мембрана, в большинстве случаев окружённая клеточной стенкой.
У эукариот мембраной окружена не только клетка, но и ядро, а также митохондрии, лизосомы, пероксисомы, секреторные гранулы, эндосомы, у растений ещё – хлоропласты и вакуоли; мембраны образуют также разветвлённую сеть эндоплазматического ретикулума и комплекса Гольджи.
Митохондрии, хлоропласты и ядра окружены двумя мембранами, а внутри хлоропластов имеется ещё один тип мембран, формирующих тилакоиды. У животных к клеточной мембране снаружи примыкает гликопротеиновый комплекс – гликокаликс, у растений – клеточная стенка. Толщина мембран варьирует от 6 до 10 нм.
Основу Б. м. составляет протяжённый двойной слой (бислой) глицерофосфо-, сфинго- и гликолипидов со встроенными в него молекулами различных белков.
Гидрофобные (неполярные) группы молекул липидов (остатки жирных кислот) погружены в толщу мембраны, а гидрофильные (полярные) головки ориентированы наружу, в окружающую водную среду (см. Липиды). Плотность упаковки Б. м.
обеспечивается электростатическими взаимодействиями полярных головок и гидрофобными контактами между цепями жирных кислот. Входящие в состав Б. м. белки взаимодействуют с липидным бислоем с помощью гидрофобных взаимодействий и вандерваальсовых связей.
Соотношение липидов и белков, их состав в разл. Б. м. могут существенно различаться. Так, в мембранах миелиновой оболочки содержание липидов (по массе) в четыре раза больше, чем белков, а во внутр. мембранах митохондрий более чем в два раза преобладают белки. Липиды Б. м. представлены гл. обр.
фосфатидилхолином, фосфатидилэтаноламином, сфингомиелином, фосфатидилсерином, фосфатидилинозитом и кардиолипином, которые обнаруживаются примерно в одном и том же соотношении в мембранах разных по уровню организации организмов.
В то же время набор жирных кислот, входящих в состав липидов, подвержен изменениям. Напр.
, понижение темп-ры, давления и солёности среды обитания организмов сопровождаются увеличением количества ненасыщенных связей и/или короткоцепочечных жирных кислот в фосфолипидах и происходящим вследствие этого уменьшением плотности упаковки бислоя.
Липидам свойственна определённая подвижность внутри бислоя.
Они способны к быстрому вращению вокруг оси (вращательная диффузия), к свободному перемещению в пределах одного слоя мембраны (латеральная диффузия), а также к переходу с одной стороны бислоя на другую (такое передвижение обеспечивается спец. механизмами). Для клеточных мембран животных клеток характерно высокое содержание холестерина (в ср. ок. 21%), который участвует в регуляции текучести мембраны, препятствуя плотной упаковке фосфолипидов. В растит. клетке роль холестерина играет его аналог – десмостерин. В мембранах бактерий и внутриклеточных органелл стерины отсутствуют. До 10% сухого вещества мембран приходится на долю углеводов, которые экспонированы на внешней стороне клеточной мембраны и являются составной частью мембранных гликолипидов и гликопротеинов.
Содержание белка в разл. мембранах колеблется от 20 до 75% (в пересчёте на сухую массу). Мембранные белки могут быть встроены в бислой (интегральные белки). При этом они погружены в мембрану и пронизывают её (иногда неск.
раз) таким образом, что достаточно протяжённые участки белка, образованные гидрофобными аминокислотами, оказываются в её толще, а гидрофильные – на поверхности, по обе стороны Б. м. Выступающие над внешней стороной мембраны участки белковых молекул обычно несут неск.
ковалентно связанных, часто разветвлённых цепей олигосахаридов, образованных остатками маннозы, фукозы, глюкозы, N-ацетилглюкозамина и др. Эти компоненты играют роль маркеров при распознавании клеточной поверхности. Молекулы периферических белков расположены гл. обр.
на внутренней поверхности мембраны, не проникая внутрь бислоя, и удерживаются на ней с помощью электростатич. взаимодействий и водородных связей; они связываются с мембраной обратимо и могут переходить в цитоплазму при модификации белков (напр.
, путём их фосфорилирования) в ответ на изменения функционального состояния клетки. Мн. белки организованы в виде сложных комплексов (напр., белки дыхательной цепи митохондрий). В клетках происходит постоянное обновление компонентов Б. м.
путём введения новых молекул липидов и белков, однако структурная организация Б. м. в течение всей жизни клетки остаётся неизменной.
Осн. функции мембран связаны с белками. Мн. мембранные белки – ферменты, обеспечивающие протекание окислительно-восстановительных, гидролитич. и биосинтетич. реакций как на поверхности мембраны, так и внутри неё. Важнейшая функция белков мембран – транспортная.
Жирорастворимые соединения (напр., стероидные гормоны) легко проникают в липидный бислой, но для большинства др. соединений (в т. ч. аминокислот, сахаров) и неорганич. ионов он непроницаем.
Специально предназначенные для этих целей мембранные белки обеспечивают как активный (требующий затрат энергии), так и пассивный (за счёт градиента концентраций) транспорт веществ и ионов (см. Ионные каналы). Специфич.
Такая асимметрия обеспечивает мн. проявления жизнедеятельности (электровозбудимость, осмотическую устойчивость и др.). Мембранные белки аквапорины образуют в мембране спец. каналы, регулирующие проникновение в клетку молекул воды.
Взаимодействие клетки с внешней средой, регуляция внутриклеточных процессов осуществляются посредством рецепторных белков (рецепторов), ответственных за фото-, термо-, механо- и хеморецепцию.
Барьерная функция Б. м. обеспечивает сохранение определённого состава клетки и концентрации составляющих её веществ, а также защиту от воздействия разл. чужеродных факторов и токсинов. Благодаря Б. м. внутри клеток возможно одноврем.
протекание множества несовместимых друг с другом реакций. Напр., необходимые клетке белки синтезируются на рибосомах, прикреплённых к эндоплазматическому ретикулуму, а их распад происходит в лизосомах. В Б. м. протекают процессы энергообмена клеток. Внутр.
мембраны митохондрий и мембраны тилакоидов – важнейшие преобразователи энергии, играющие ключевую роль в запасании энергии, образующейся в ходе дыхания и фотосинтеза, в энергию пирофосфатной связи аденозинтрифосфата. Б. м. нейронов могут генерировать и осуществлять передачу электрич.
сигнала, участвуя тем самым в процессах возбуждения и проведения нервного импульса.
Белковые и липидные компоненты выполняют ряд др. функций. Фрагменты фосфолипидов могут выступать в качестве предшественников сигнальных молекул (мессенджеров). Напр.
, при активации мембранной фосфолипазы А из бислоя высвобождается арахидоновая кислота, дальнейшие превращения которой приводят к образованию биологич. регуляторов – тромбоксанов, лейкотриенов и простагландинов.
Фосфатидилсерин, локализованный на внутр. стороне мембраны, при инициации апоптоза мигрирует на её внешнюю сторону. Его появление служит сигналом для фагоцитов, которые имеют рецепторы на этот фосфолипид; они «узнают» дефектные клетки и уничтожают их.
Гликолипиды наряду с гликопротеинами играют важную роль в явлениях межклеточной адгезии, участвуют в иммунных реакциях.
Для изучения структуры и функции мембран используются электрофизиологич. и иммуноцитохимич. методы, жидкостная хроматография (для идентификации и анализа липидных компонентов), проточная цитометрия, позволяющая проследить ответ клетки на взаимодействие специфич.
лигандов с клеточной мембраной, разнообразные физич. методы, характеризующие структуру мембран, упаковку и подвижность липидов в бислое (в т. ч. электронная микроскопия, малоугловое рассеивание нейтронов, флуоресцентная спектроскопия, круговой дихроизм), и др. методы.
Разнообразие типов Б. м., их полифункциональность и высокая чувствительность к внешним воздействиям являются причиной того, что они вовлекаются в разл. патологич. процессы.
Повреждения клеточных мембран, приводящие к образованию свободных радикалов и гибели нервных клеток, лежат в основе нейродегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, боковой амиотрофический склероз), могут служить причиной инсульта и инфаркта миокарда.