Структурно-молекулярная организация биологических мембран

Электронная микроскопия

Электронная микроскопия нативных клеточных мембран не позволяет их увидеть, так как они состоят из тех же химических элементов, что и цитоплазма. Для получения четкой электронограммы клетки ее мембраны контрастируют, осаждая на них вольфрам, осмий и другие элементы, которые хорошо поглощают и рассеивают электроны. На таких препаратах любая биомембрана (БМ) выглядит трехслойной: между парой темных полос расположено светлое пространство (рис. 2.2). Следовательно, компоненты промежуточной (средней) части БМ слабо связывают металлы, входящие в состав «электронных красителей». Суммарная толщина трехслойной структуры варьирует от 7 до 15 нм, причем разная величина присуща различным клеточным мембранам. Во многих из них наблюдается асимметрия трехслойной организации: темные полосы различаются по ширине и плотности. Асимметричное строение большинства БМ продемонстрировано особенно наглядно посредством своеобразного приема электронной микроскопии - метода замораживания-скалывания, о котором будет рассказано ниже.

Трехслойное изображение биомембраны на электронограмме

Рис. 2.2. Трехслойное изображение биомембраны на электронограмме

Более детальные сведения о молекулярной структуре клеточных мембран получены методами рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов, электронного парамагнитного и ядерного магнитного резонанса (ЭПР и ЯМР), люминесцентного анализа, дифференциальной сканирующей микрокалориметрии (ДСК) и др.

Все клеточные мембраны построены в основном из липидов, белков и углеводов, причем последние образуют соединения с белками (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды). Органические вещества образуют соли с различными ионами, которые вместе с тем присутствуют в виде водных растворов внутри мембранных каналов.

Мембранные липиды

Структурной основой БМ служит липидный бимолекулярный слой. Его образование обусловлено особенностями взаимодействия с водой мембранных липидов. На их долю приходится от 15 до 50% сухой массы разных клеточных мембран. Мембранные липиды относятся к трем основным классам: I) фосфолипидам, 2) гликолипидам и 3) стероидам. Среди них преобладают фосфолипиды (ФЛ), в молекуле которых условно выделяют три части (рис. 2.3.): головку, тело (шейку) и хвосты (в большинстве мембранных ФЛ их два). Площадь участка, занимаемого головкой, составляет 0,6 нм2, а на хвосты приходится 0,2 - 0,3 нм2. Вертикальный размер головки не превышает

Схема фосфолипида

Рис. 2.3. Схема фосфолипида: 1 - полярная (гидрофильная) часть;

  • 2 - неполярная (гидрофобная) часть
  • 1/4 длины всей молекулы. Головки разных ФЛ образованы азотистыми (этаноламин, холин) или безазотистыми (серин, инозин, треонин) основаниями. Им присуща довольно высокая степень полярности.

Посредством ортофосфорной кислоты головка соединяется с телом, которое представляет собой один из двух многоатомных спиртов: глицерин или сфингозин (ненасыщенный аминоспирт). В зависимости от спирта, составляющего тело, все ФЛ подразделяются на глицерофосфатиды (глицерофосфолипиды) и сфингофосфо- липиды.

К глицерину или сфингозину присоединяются хвосты - неполярные СН-цепи жирных кислот, содержащие от 14 до 24 атомов углерода. У двуцепочечных фосфолипидов один из хвостов представлен насыщенной, а второй - ненасыщенной кислотой. К первым относятся стеариновая (18:0)’, пальмитиновая (16:0), миристиновая (14:0), а ко вторым - олеиновая (18:1)[1] [2], линолевая (18:2)**, линоле- новая (18:3)**, арахидоновая (20:4)**, докозогексаеновая (22:6)** кислоты. За счет разной комбинации перечисленных компонентов

Структурные формулы мембранных липидов

Рис. 2.4. Структурные формулы мембранных липидов: а - фосфатидилэтаноламин; б - фосфатидилсерин; в - фосфатидилхолин (лецитин); г - кардиолипин; д - холестерин

существуют десятки различных фосфолипидов. Из них в биологических мембранах чаще встречаются фосфатидилэтаноламин, фосфатидилхолин (лецитин), сфингомиелин, фосфатидилинозитол, дифос- фатидилглицерин (кардиолипин), фосфатидилсерин.

Для лучшего понимания структурной организации молекулы ФЛ рассмотрим схему строения глицерофосфолипидов. Их тело (шейку) образует трехатомный спирт глицерин, у которого две гидроксильные группы этерифицированы жирными кислотами, причем первая ОН-группа обычно этерифицирована насыщенной, а вторая - ненасыщенной жирными кислотами, третья гидроксильная группа образует сложную эфирную связь с ортофосфорной кислотой (Н3Р04), соединяющей тело с головкой - один из атомов кислорода фосфорной кислоты связан с определенным азотистым (или безазотистым) основанием. В молекуле лецитина (рис. 2.4) головкой служит холин, соединяющийся ортофосфатом с глицерином (телом), который через гидроксил в первом положении связан с насыщенной жирной кислотой (стеариновой), а через гидроксил во втором положении - с ненасыщенной (олеиновой).

Важнейшее физико-химическое свойство фосфолипидов - ам- фофильность (амфопатичность) за счет гидрофильности головки

Бимолекулярный фосфолипидный слой

Рис. 2.5. Бимолекулярный фосфолипидный слой

и гидрофобности жирнокислотных хвостов. Благодаря этому в воде при соблюдении определенных условий молекулы фосфолипидов самопроизвольно выстраиваются так, что их гидрофобные углеводородные цепи оказываются укрытыми от воды, а полярные головки вступают во взаимодействие с нею. В результате при агрегации молекул создается конструкция, поперечник которой включает две молекулы фосфолипидов, повернутых друг к другу жирнокислотными хвостами и обращенных к обеим наружным поверхностям гидрофильными головками (рис. 2.5). Так образуется довольно устойчивая динамическая структура - сплошной бимолекулярный фосфолипидный слой (бислой), который и служит своеобразным каркасом биологической мембраны. Для создания 1 м2 такой поверхности хватает 1 мг липида. На каждом 1 мкм2 клеточной мембраны сосредоточено примерно 4 • 106 липидных молекул (по 2 миллиона в каждом из монослоев бислойной структуры).

Способность формировать в водной среде бимолекулярный слой присуща разным ФЛ в неодинаковой степени. Она наиболее выражена у фосфатидилхолина (лецитина), который в обширном диапазоне температур и ионных концентраций существует в водной среде непременно в виде бислоя. К тому же в его присутствии и у других фосфолипидов эта способность усиливается.

Лецитин образуется из фосфатидилэтаноламина посредством метилирования азота в азотистом основании, образующем головку

Метилирование фосфатидилэтаноламина с образованием лецитина

Рис. 2.6. Метилирование фосфатидилэтаноламина с образованием лецитина

(рис. 2.6). Этот процесс произошел у эукариот около 100 миллионов лет назад и обеспечил важную ступень эволюции биосферы. Упорядоченность молекулярной организации биологической мембраны создается без каких-либо управляющих воздействий - вследствие гидрофобного взаимодействия молекул ФЛ. Можно сказать, что вода принуждает фосфолипиды образовывать упорядоченную структуру.

Плотность упаковки ФЛ в липидном каркасе зависит от того, какие жирные кислоты входят в состав фосфолипида - чем больше двойных связей между атомами углерода в СН-цепях, тем больше промежуток между соседними молекулами в мембранном каркасе, что, в свою очередь, уменьшает его жесткость и усиливает проницаемость мембраны для веществ.

Вместе с тем на плотность упаковки фосфолипидов влияет холестерин - стероид, в молекуле которого четыре кольца: три 6-членных и одно 5-членное. Крайнее из шестичленных колец соединено с гидроксильной группой и служит гидрофильной головкой молекулы. К наиболее удаленному от головки пятичленному кольцу присоединена углеводородная цепочка, содержащая 8 атомов углерода. Холестерин способен встраиваться в фосфолипидный бислой клеточной мембраны (рис. 2.7). При этом мембрана уплотняется.

По мере повышения содержания в БМ холестерина площадь, занимаемая фосфолипидами, сокращается до того, пока на 1 молекулу холестерина будет приходиться 2 молекулы фосфолипида. Эффект сокращения площади, приходящейся на молекулу фосфолипида, обусловлен тем, что изменяется наклон его углеводородных цепей к поверхности бислоя. По мере увеличения содержания холестерина в БМ они стремятся встать перпендикулярно мембранной поверхности, в результате чего укладка фосфолипидов приобретает большую компактность, и мембрана уплотняется. Она становится более вязкой и менее проницаемой для многих веществ. Обычно это соотношение

Холестерин в биомембране

Рис. 2.7. Холестерин в биомембране

меньше, чем 1:2. Так, на 1 моль ФЛ в плазмолемме эритроцита приходится 0,37, а во внутренней митохондриальной мембране - 0,03 моля холестерина. В одной из самых «жидких» биологических мембран - фоторецепторной на 1 молекулу холестерина приходится 15 молекул фосфолипидов.

Содержание холестерина в клеточных мембранах зависит от общего холестеринового обмена в организме, подверженного сильному влиянию пищевого рациона. Добавление к искусственной липидной мембране компонентов клеточных мембран, взятых у животных, в пище которых долгое время поддерживается избыток холестерина, резко повышает степень ее жесткости и уменьшает проницаемость.

Третий класс мембранных липидов - гликолипиды - играет важную роль в предотвращении слипания соседних клеток. Эти липиды обеспечивают существование на клеточной поверхности отрицательных электрических зарядов, создающих электростатическое отталкивание. Однако при избыточном содержании гликолипидов (например, ганглиозидов) в плазматических мембранах клетки слишком сильно разобщаются и настолько отодвигаются друг от друга, что информационное взаимодействие нарушается.

Таблица 2.1

Липидный состав биологических мембран (в%)

Мембранные

липиды

Мембраны животных клеток

Мембрана

бактерии

(Е. соМ)

Миелиновая

оболочка

Плазмолемма

эритроцита

Внутренняя митохондриальная мембрана

Холестерин

25

25

5

0

Фосфатидил-

этаноламин

14

20

28

100

Фосфатидилсерин

7

11

0

0

Фосфатидилхолин

11

23

48

0

Фосфатидилинозит

0

2

8

0

Сфингомиелин

6

18

0

0

Цереброзид

21

0

0

0

Установлены значительные различия липидного состава разных биологических мембран (табл. 2.1). Кроме сведений, представленных в этой таблице, полезно иметь в виду данные о липидном составе различных мембран крысиных гепатоцитов. Фофолипиды составляют около 60% липидного каркаса плазмолеммы и аппарата Гольджи, 85% мембранных липидов ядер и эндоплазматической сети, более 90% липидов внутренней митохондриальной мембраны. Гликолипиды присутствуют только в плазмолемме. Более того, одна и та же мембрана содержит различные липиды в каждой половине липидного бислоя. В связи с этим обстоятельством говорят о гетерогенности липидного состава биологических мембран.

Однако избыточное поступление в организм человека и животных фосфолипазы А2, например, при укусах некоторых ядовитых змей, приводит к столь сильному разрушению клеточных мембран, что оно становится не совместимым с жизнью. Попутно заметим, что другой фермент, влияющий на фосфолипиды, - фосфолипаза С, выделяемая некоторыми микроорганизмами (в частности холерным вибрионом), разрушает липидный каркас клеточных мембран, «откусывая» полярные головки фосфолипидов.

Важные сведения получены при исследовании липидного статуса плазмолеммы раковой клетки. Оказалось, что при малигнизации в мембране не образуются какие-то новые липиды. Однако фосфолипидные спектры двух половин бислоя становятся более однородными (эффект выравнивания фосфолипидных спектров). К глицеролу ненасыщенные жирные кислоты присоединяются в первом, а не во втором положении, а насыщенные - во втором. Следствием этого является, во-первых, повышение жесткости клеточных мембран и ухудшение их проницаемости, а, во-вторых, нарушение синтеза простагланди- нов, поскольку фосфолипаза А2 не может расщеплять арахидоновую кислоту, присоединенную к глицеролу в первом положении.

Нарушение фосфолипидного состава плазмолеммы при малиг- низации измененяет активность многих мембранных ферментов, что приводит к существенным сдвигам метаболизма. Наконец, повышение содержания ганглиозидов в плазмолемме усиливает ее отрицательный заряд, вследствие чего клетки разобщаются, и каждая из них начинает жить сама по себе, а не в ладу с соседями.

  • [1] 18 - число атомов С в жирнокислотной цепи, 0 - число двойных связеймежду атомами С.
  • [2] 18 - число атомов С в жирнокислотной цепи, 1, 2, 3, 4, 6 - число двойныхсвязей между атомами С.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >