Склад мембран

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Склад мембран

Основними компонентами мембран є білки і ліпіди. На частку вуглеводів може припадати близько 10% маси мембран, при цьому вони завжди входять до складу гліколіпідів або глікопротеі-нів. Співвідношення між білками і ліпідами в мембранах значно варіює - від 20% білка в мієліну до 80% в мітохондріях. У табл. 1.3 та 1.4 узагальнено дані складу ряду мембран. Щільність мембран прямо пропорційна вмісту в них білка. Судячи за даними ізопікніческого центрифугування, чим вищий вміст білка в мембрані, тим більше її щільність.

Таблиця 1. Фосфоліпідний склад субклітинних мембран печінки щура "

Частка від сумарної кількості фосфоліпідів, It


мітохондрії

мікро-соми

лі10-

соми

плазматична мембрана

ядерна мембрана

мембрани апарату Гольджі















Кардіоліпін

18

1

1

1

4

1

Фосфатидилетаноламін

35

22

14

23

13

20

Фосфатидилхолін

40

58

40

39

55

50

Фосфатіділііозітол

5

10

5

8

10

12

Фосфатидилсерин

1

2

2

9

3

6

Фосфатидний кислота

-

1

1

1


<1

Ліеофосфогліцеріди 2 '

1 квітня

11

7

2

3

3

Сфінгоміелін

1

1

20

16

3

8

Фосфоліпіди

0,175

0,374

0,156

0,672

0,500

0,825








Холестерол

0,003

0,014

0,038

0,128

0,038

0,078

Таблиця 2 Білковий і ліпіди складу деяких мембран тварин і бактеріальних клітин. Л / Б - ставлення ліпка / білок "

Білковий склад мембрани залежить в якійсь мірі від методу її виділення. Деякі білки неміцно пов'язані з мембраною і легко видаляються при промиванні її розчинами з високою або, навпаки, з низькою іонною силою, лужними розчинами або розчинами, що містять хелатуючим агенти типу ЕДТА. Бувають і випадки, коли важко сказати, чи є білок мембранним або цитоплазматическим, випадково зв'язався з мембраною в ході її виділення.

1. МЕМБРАННІ ЛІПІДИ

Найбільш вражає в мембранних ліпідах їх велике розмаїття. Причини цього поки не ясні, хоча стає все більш очевидно, що, мабуть, пов'язано це з тим різноманітністю функцій, які ліпіди виконують у мембранах. Але, звичайно, головна функція мембранних ліпідів полягає в тому, що вони формують біслойную матрикс, з яким взаємодіють білки. Основні класи ліпідів представлені на рис. 1.8; їх короткий опис дано нижче.

Гліцерофосфоліпіди

Це найбільш поширені ліпіди. Одна з гідроксильних груп гліцерину пов'язана з полярної угрупуванням, що містить фосфат, а дві інші - з гідрофобними залишками. Номенклатура гли-церідов заснована на системі стереоспеціфіческой нумерації. Якщо гліцерин зобразити у проекції Фішера, так що центральна група буде розташована ліворуч, то атоми вуглецю будуть нумеруватися так, як показано на рис. У цьому випадку в назву гліцерофосфоліпіди вводять приставку sn для позначення положення заступника. , D / L и R / S . На рис. У літературі зустрічається декілька систем стереохимических позначень: sn, D / L і R / S. На рис. представлена ​​стереохімія атома С-2 в цих трьох системах. Природні фосфоліпіди.

У більшості фосфогліцерідов фосфатна група знаходиться в ял-3-положенні гліцеролу; вона зазвичай пов'язана з якою-небудь із груп, представлених на рис.


-\ и sn -2, могут присоединяться за счет сложноэфирной и простой эфирной связей. Довгі вуглеводневі ланцюги, що знаходяться в положеннях sn - \ і sn -2, можуть приєднуватися за рахунок складноефірний і простий ефірної зв'язків. Ці ланцюги значно розрізняються по довжині, раз-розгалуження і ступеня ненасиченості.

1. 1,2-діацілфосфогліцеріди або фосфоліпіди. Ці ліпіди, є складними ефірами жирних кислот і гліцерину, широко представлені в багатьох мембранах еукаріотичних і прокаріо-тичні клітин, за винятком архей. Фосфатидил-холін є основним компонентом мембран тваринних клітин, а фосфатидилетаноламін - це нерідко основною ліпід бактеріальних мембран. У табл. представлений ряд жирних кислот, найбільш часто зустрічаються у складі фосфоліпідів, а в табл. наведено жирнокислотний склад клітинних мембран печінки щура.

Жирні кислоти майже завжди містять парне число атомів вуглецю в межах від 14 до 24. Найбільш поширені кислоти С16, С18 та С20. Ступінь ненасиченості може бути різною, але найчастіше зустрічаються ненасичені кислоти 18:1, 18:2, 18:3 і 20:4. Тут перше число позначає довжину ацильної ланцюга, а друге вказує на кількість пронумерованих подвійних зв'язків. Майже всі природні кислоти характеризуються г / ис-конфігурацією подвійних зв'язків. Ланцюг в такій конфігурації має злам, що порушує упаковку ліпідних молекул в бішарі. У складі молекул багатьох фосфоліпідів є одна насичена і одна ненасичена ланцюга. У разі тварин клітин ненасичені ланцюга зазвичай знаходяться в 5І-2-положенні гліцеролу. . Таке ж розподіл ланцюгів характерно і для фосфоліпідів клітин Є. coli. Подвійні зв'язку в поліненасичених ланцюгах звичайно є неспряженості. У фосфоліпідах деяких бактеріальних мембран виявлені розгалужені ланцюги, а також ланцюги, що містять цикли, і гідроксильні групи в / 3-положенні. На рис. 1.11 показана структура деяких з цих кислот.

  1. -\ -положении глицерола. У архей гліцерофосфоліпіди мають звернену сте-реохіміческую конфігурацію, за якої фосфорильними групи перебувають у sn - \-положенні гліцеролу. У багатьох бактерій цього виду гідрофобні компоненти являють собою не складні ефіри жирних кислот, а прості ізопранільние ефіри гліцеролу.

Кардіоліпіну або діфосфатіділгліцероли. По суті це димерной форми фосфоліпідів. Вони містяться в біль шом кількості у внутрішній мембрані мітохондрій, в мембрані мітохондрій та в деяких бактеріальних мембранах, але рідко зустрічаються в інших мембранах.

4. Плазмалогени. Це фосфогліцероліпіди, у яких одна з вуглеводневих ланцюгів є простим вініловий ефір. Етаноламінового плазмалогени широко представлені в мієліну і в саркоплазматичного ретикулуму серця.

Фосфосфінголіпіди

Ці ліпіди мають такі ж полярні головки, як і гліцерофосфоліпіди, але їх гідрофобна частина представлена ​​церамідів. У плазматичних мембранах клітин тварин широко поширений сфінгоміелін. Основними жирнокислотним компонентами в мієліну є кислоти 24:1 і 24:0. У мембранах рослинних і бактеріальних клітин фосфосфінголіпіди зустрічаються рідко. Крім сфінгоміеліна відомі й інші фосфосфінголіпіди, наприклад церамід-1-фосфорілетаноламін, церамід-1-фосфорілінозі-тол і церамід-1-фосфорілгліцерол.

Глікогліцероліпіди

Це полярні ліпіди, у яких в м-З-положенні гліцеролу знаходиться вуглевод, приєднаний за допомогою глікозидного зв'язку, наприклад галактоза. Глікогліцероліпіди широко представлені в мембранах хлоропластів, вони виявлені також в помітних кількостях у синьо-зелених водоростей і бактерій. Моногалактозілдіа-цілгліцерол був названий «найбільш поширеним у природі полярним ліпідом», оскільки на його частку припадає половина всіх ліпідів тилакоїдних мембрани хлоропластів. Для мембран грампозитивних бактерій характерні глікогліце-

- l -положении глицерола. роліпіди з великою різноманітністю Сахаров. Архебактерії також містять такі ліпіди, але, як і у випадку гліцерофосфоліпідів, їх стереохимическая конфігурація є зверненої, з локалізацією глікозидного зв'язку в sn - l-положенні гліцеролу. У мембранах клітин тварин глікогліцероліпіди зустрічаються рідко.



Глікосфінголіпіди

класифікують відповідно до розміру вуглеводної частини, яка може бути представлена ​​всього лише одним моносахаридних залишком, з одного боку, і дуже складним вуглеводним полімером - з іншого. Моноглікозілцераміди зазвичай називають цереброзидів. Гангліозид представляють собою клас аніонних глікосфінголіпідов, які містять один або кілька залишків сиаловой кислоти, пов'язаних з цукровими залишками церамідолігосахаріда. Глобозідамі називають нейтральні глікосфінголіпіди, які не містять залишків негативно зарядженої сиаловой кислоти.

Глікосфінголіпіди знаходяться на зовнішній поверхні плазматичних мембран клітин тварин; зазвичай вони є мінорними компонентами, але іноді містяться в значних кількостях. Моногалактозілцерамід - це один з основних компонентів мієлінової оболонки нервового волокна. У деяких випадках глікосфінголіпіди локалізуються не в плазматичної мембрани, а у внутрішньоклітинних мембранах.

Глікосфінголіпіди мембран еритроцитів несуть антигени групи крові. У клітинах аденокарциноми людини накопичуються незвичайні фукозілірованние глікосфінголіпіди, які можна використовувати для виявлення цих клітин і контролю за розвитком пухлини.

Стероли

Ці ліпіди присутні в багатьох мембранах рослин, тварин і мікробів. Мабуть, найпоширенішим з сте-ролів є холестерол. Його молекула складається з компактного, жорсткого гідрофобного ядра, а полярної головкою є гідро-ксільная група. Холестерол міститься в плазматичних мембранах клітин тварин, у лізосомах, ендосомах і в мембранах апарату Гольджі. Він становить близько 30% всієї маси мембранних ліпідів у багатьох плазматичних мембранах клітин тварин. У вищих рослинах виявлено інші стероли, найчастіше ситостерол і стігмастерол. Рослинні стероли часто мають ще одну бічну ланцюг в положенні С-24 та / або подвійний зв'язок у положенні С-22. У мембранах дріжджів і дру-

гих еукаріотичних мікроорганізмів часто міститься ергостерол. До класу стеролоподобних ліпідів відносять також гопаноі-ди, які знайдені в бактеріях і деяких рослинах.

Мінорні компоненти

У мембранах присутні також і інші ліпіди, які можна віднести до розряду мінорних компонентів внаслідок їх малого вмісту в мембранах. Так, в мембранах зазвичай виявляються, хоча і в дуже малих кількостях, вільні жирні кислоти і лізофосфоліпіди. Мабуть, винятком із цього правила є мембрани хромафінних гранул, які, як відомо, містять незвично багато вільних жирних кислот. Мінорними компонентами мембран є також моноаціл-і діацілгліце-роли. Диацилглицерол виконують важливу функцію другий посередників у передачі сигналу при активації клітин поряд біологічно активних речовин. Ця система клітинного відгуку на зовнішній стимул буде детально розглянута в гл. 9. У мембранах зазвичай присутні і поліізопреноідние ліпіди. До них відносяться уби-хінони та менахінони - компоненти ланцюга електронного транспорту в мембранах. Можна відзначити також ундекапренол і доліхол, які є ліпідними переносниками проміжних продуктів відповідно при біосинтезі клітинної стінки у прокаріотів і при біосинтезі глікопротеїнів в апараті Гольджі еукаріот. Довжина молекул цих ліпідів у витягнутому стані значно перевищує товщину бішару, тому невідомо, як ці молекули в ньому розташовані. Неясно також, чому ліпідними переносниками служать саме поліізопреноідние структури.

2. РІЗНОМАНІТТЯ ФУНКЦІЙ МЕМБРАННИХ ЛІПІДІВ

Цілком очевидно, що ліпідний склад різних мембран не є випадковим, проте задовільного пояснення цьому феномену не знайдено. Будь-яка конкретна мембрана може містити більше ста різних типів ліпідних молекул. Чому їх так багато і чому кожна мембрана має унікальний ліпідний склад? Шляхи біосинтезу мембранних ліпідів та механізми їх доставки до місць призначення обговорюються в разд. 10.4. Стає все більш очевидним, що ліпіди беруть активну участь у процесах, що протікають у мембранах, проте причини їх різноманітності неясні. Розглянемо деякі фактори, можливо, що визначають ліпідний склад мембрани.

1. Суміш ліпідів обов'язково повинна бути здатна утворити стабільний бішар, в якому могли б функціонувати білки.

  1. Деякі ліпіди сприяють стабілізації сильно викривлених ділянок мембрани, утворення контакту між мембранами або зв'язування певних білків, оскільки форма цих молекул сприяє потрібної упаковці бішару на відповідних ділянках мембрани.

  2. Деякі ліпіди є важливими біорегулятори. Найбільш вивчена в цьому відношенні регуляторна роль похідних фосфатидилінозитолу в плазматичних мембранах клітин еукаріот.

  3. Деякі ліпіди беруть участь у реакціях біосинтезу. Наприклад, в клітинах Е. coli фосфатіділгліцерол поставляє гліцерофосфатний фрагмент при біосинтезі періплазматіческіх олігосахарі-дів.

  4. Окремі ліпіди необхідні для підтримки оптимальної активності ряду ферментів. Це питання розглядається в гл. 6.

  5. Гангліозид, як вважають, відіграють важливу роль у регуляції росту клітин, є специфічними рецепторами в плазматичної мембрани і відповідальні за клітинну адгезію.

Як було показано експериментально, організми часто можуть витримувати - причому без будь-яких наслідків - суттєві зміни ліпідного складу мембран. , в мембранах которых содержится 34% фосфатидной кислоты, обычно отсутствующей в штаммах дикого типа. Наприклад, за допомогою генетичної трансформації можна отримати штами Е. coli, в мембранах яких міститься 34% фосфатидний кислоти, зазвичай відсутньої у штамах дикого типу. Очевидно, той ліпідний склад, який характерний для штамів дикого типу, не є обов'язковим для виживання клітин, принаймні, в умовах їх вирощування в лабораторії.

3. МЕМБРАННІ БІЛКИ

Як видно з табл. 1.3 та 1.4, мембрани містять від 20 до 80% білка. Як правило, саме білки відповідальні за функціональну активність мембран. До них відносяться різноманітні ферменти, транспортні білки, рецептори, канали, пори і т. д., які забезпечують унікальність функцій кожної мембрани. Перші успіхи у вивченні мембранних білків були досягнуті тоді, коли біохіміки навчилися використовувати детергенти для виділення мембранних білків у функціонально активній формі. Це були роботи з вивчення ферментних комплексів внутрішньої мембрани мітохондрій. Значним кроком уперед було усвідомлення того, що мембранні білки мають не виключно / 3-складчасту структуру, як передбачалося в моделі «елементарної мембрани» Девсона-Даніелла-Робертсона, а містять досить багато а-спіралей. Важливе значення мав також висновок про те, що мембранні білки можуть глибоко проникати в ліпідний бішар або навіть пронизувати його і що їх стабілізація здійснюється за рахунок гідрофобних взаємодій. Ці термодинамічні уявлення істотно збагатили принцип «гідрофобних сил», запропонований для пояснення структури білків і який передбачав існування неполярної, гідрофобної області всередині білкової глобули і полярних, гідрофільних ділянок, що контактують з водним середовищем.

У міру вдосконалення методів очищення вдавалося отримувати в ізольованому вигляді все більше число мембранних білків. Визначення первинної структури більшості з них було утруднене через погану розчинності у воді як самих білків, так і одержуваних з них гідрофобних пептидів. У середині 1970-х рр.. , что позволило установить основной принцип структурной организации интегральных белков. ця проблема була вирішена для двох мембранних білків - глікофорину і цитохрому bs, що дозволило встановити основний принцип структурної організації інтегральних білків. У амінокислотної послідовності глікофорину - сіалоглікопротеіна з мембрани еритроцитів - був виявлений коротка ділянка, що складається з 23 неполярних амінокислот і розташований приблизно в середині ланцюга. Дані топологічних та інших досліджень показали, що молекула глікофорину повністю пронизує мембрану, причому занурений в мембрану гідрофобну ділянку має а-спіральну конфігурацію. Так увійшла в життя нова, тепер вже загальновизнана концепція про наявність в мембранних білках а-спіральних доменів, які пронизують мембрану. Ця концепція була повністю підтверджена при вивченні трансмембранних білків за допомогою методів, які дозволяють отримати максимально можливе в наш час дозвіл. Судячи з результатів реконструкції електронно-мікроскопічних зображень препаратів бактериородопсина з пурпурної мембрани Halobacterium halobium і за даними рентгеноструктурного дослідження фотосинтетичних реакційних центрів бактерій, ці білки містять кілька а-спіральних ділянок, послідовно перетинають бнслой.

. Было показано, что этот белок содержит относительно короткий участок вблизи карбоксильного конца, состоящий из гидрофобных аминокислот. Інший варіант розташування поліпептидного ланцюга в мембрані був виявлений при вивченні амінокислотної послідовності інтактною форми мікросомного цитохрому bi. Було показано, що цей білок містить відносно коротку ділянку поблизу карбоксильного кінця, що складається з гідрофобних амінокислот. Цей «гідрофобний якір» можна було видалити за допомогою протеолізу, причому гемсвязивающій домен вивільнявся у водорозчинній формі. Локалізований в мембрані гідрофобний домен, або «якір», став ще одним характерним елементом структури мембранних білків.

В основі сучасних уявлень про структуру мембранних білків лежить ідея про те, що їх поліпептидний ланцюг укладена так, щоб утворилася неполярний, гідрофобна поверхня, що контактує з неполярної областю ліпідного бішару. Полярні або заряджені домени білкової молекули можуть вазімодействовать з полярними головками ліпідів на поверхні бішару. Багато мембранні білки є трансмембранним і пронизують бішар. Деякі білки, мабуть, пов'язані з мембраною лише за рахунок їх взаємодії з іншими білками.

Мембранні білки зазвичай пов'язуються з мембраною за допомогою нековалентних взаємодій - гідрофобних або електростатичних сил. Однак є мембранні білки, які пов'язані з ліпідами ковалентно. Такі приклади поки нечисленні, але їх з'являється все більше. Багато білків плазматичних мембран рослинних і тваринних клітин відносяться до класу глікопротеїнів. Вуглеводні залишки цих білків завжди знаходяться із зовнішнього боку плазматичної мембрани.

Зазвичай мембранні білки поділяють на зовнішні і внутрішні. При цьому критерієм служить ступінь жорсткості обробки, необхідної для отримання цих білків з мембрани. Периферичні білки вивільняються при промиванні мембран буферними розчинами з низькою іонною силою, буферними розчинами з низьким або, навпаки, високим значенням рН і в присутності хелатуючим агентів, що пов'язують двовалентні катіони. Як вважають, такі білки пов'язані з поверхнею мембрани за рахунок слабких електростатичних взаємодій з полярними головками ліпідних молекул або з молекулами інших білків. Часто буває нелегко відрізнити периферичні мембранні білки від білків, що зв'язалися з мембраною в процесі її виділення. При обробці мембранного препарату буфером з низькою іонною силою в розчин переходить близько 30% білків, пов'язаних з мембраною еритроцитів. При кілька більш жорсткої обробці хаотропні агентами вивільняються периферичні білки. У ряді випадків ці агенти впливають досить сильне, щоб зруйнувати білок-білкові взаємодії, хоча денатурації білків при цьому не відбувається. Дія хаотропних агентів, «порушують структуру води», обумовлена ​​головним чином ослабленням гідрофобних взаємодій між компонентами мембрани.

Для вивільнення інтегральних мембранних білків необхідно використовувати детергенти або навіть органічні розчинники. Детергенти руйнують ліпідний бішар і, як вважають, зв'язуються з гідрофобними ділянками мембранних білків, контактуючими з гідрофобною областю бішару. Для того щоб зберегти інтегральні мембранні білки в розчиненому Монодисперсні стані, в розчині постійно повинні бути присутніми детергенти. При видаленні детергентів неминуче відбуваються агрегація білків та їх подальше осадження. Подальша інформація про взаємодії між білками і детергентами, а також про структуру і властивості мембранних білків міститься в гл. 3.

Резюме

Методи дифракції рентгенівських променів та електронної мікроскопії відіграли історичну роль у розвитку мембранології і внесли вирішальний внесок у сучасні уявлення про біологічні мембранах. Сьогодні не викликає сумнівів, що ліпідний бішар утворює структурну основу практично всіх біологічних мембран і що їх функціональне різноманіття засноване саме на цьому структурному єдності різних мембранних систем. Кожна окремо взята мембрана містить велику кількість розрізняються за своїми хімічними властивостями ліпідів. Причини цього розмаїття неясні, хоча з'являється все більше даних про унікальні біологічних функціях окремих ліпідів. На частку білків припадає від 20 до 80% маси мембран. Багато з цих білків повністю пронизують ліпідний бішар, і їх вдається солюбілізіровать тільки за допомогою детергентів. Інші мембранні білки, що називаються периферійними, легке витягуються з мембрани за допомогою буферних розчинів зі змінними рН або іонною силою або при видаленні двовалентних катіонів за допомогою хелатуючим агентів.

В даний час розроблені методи виділення і характеристики індивідуальних мембран з клітин прокаріотів, з тварин і в меншому ступені з рослинних клітин. Поділ найчастіше засноване на відмінностях у розмірі та щільності мембранних частинок, які у гомогенаті зруйнованих клітин. Можна також використаної відмінності в поверхневих властивостях мембран або в їх електрофоретичному поведінці. Виділення та очищення мембран - перший і обов'язковий етап в їх біохімічному дослідженні.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
82.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Структура і склад біологічних мембран
Біохімія мембран
Біогенез мембран
Асиметрія мембран
Властивості збудливих мембран
Гемоглобін еритроцитарних мембран людини
Будова і основні властивості клітинних мембран
Динаміка біологічних мембран Рухливість білків і ліпідів
Клітинна поверхня рецептори Рециклювання мембран і передача сигналів
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru