КНОРРЕ_3227

Глава 15. Биологические мембраны

§ 15.1. Основные функции и принципы строения биологических мембран

Важнейшими элементами строения всех живых организмов являются био­ логические мембраны. Основу их строения составляют гидрофобные конст­ рукции, образованные двумя слоями фосфолипидов, обращенными друг к другу гидрофобными фрагментами (остатками длинных жирных кислот) и экспонированными в окружающую среду или к соседней клетке своими гидрофильными головками. Толщина мембраны составляет около 6 нм.

Биологические мембраны, помимо механического отделения содержимо­ го клетки от внеклеточной среды и клеточных органелл от цитоплазмы, вы­ полняют еще несколько не менее важных функций, выполняемых встроен­ ными в мембраны белками. Белки могут быть заякорены в мембрану присое­ диненными к белкам остатками жирных кислот или пронизывать мембрану. В последнем случае обычно находящийся внутри мембраны участок белка существует в виде а-спирали. Этот участок должен быть построен преимуще­ ственно из остатков аминокислот, имеющих гидрофобные алифатические боковые радикалы (валина, лейцина, изолейцина, пролина, метионина) или гидрофобных остатков ароматических аминокислот (триптофана, тирозина, фенилаланина). У живых организмов широко представлены мембранные бел­ ки, пронизывающие мембрану несколько раз. В качестве примера на рис. 100 приведена схема расположения в мембране белка родопсина, отвечающего за восприятие зрительного сигнала, а также аминокислотные остатки одного из спиральных участков.

Наиболее функционально значимые органеллы - клеточное ядро, мито­ хондрии и хлоропласты - окружены двойной мембраной. Внутренняя мем­ брана в этом случае имеет одну поверхность, обращенную к основному со­ держимому органеллы, а вторую - к межмембранному пространству.

Внутреннее содержимое митохондрий называется матриксом. В матриксе проходят основные процессы, обеспечивающие окисление глюкозы и жирных кислот (цикл трикарбоновых кислот), приводящие к превращению окисленной формы никотинамидцинуклеотида (NAD+) в восстановленную (NADH).

У хлоропластов внутренняя мембрана ограничивает область, называемую стромой. В этой области находятся основные структурные единицы, в кото­ рых происходит поглощение света и преобразование световой энергии в хи­ мическую. Эти структуры, называемые тшакоидами, отделены от остальной части стромы специальной мембраной. В остальной части стромы находятся

ферменты, обеспечивающие темновую стадию фотосинтеза - фиксацию С 02 рибулозо-1,5-дифосфатом, катализируемую карбоксилазой рубиско, и пре­ вращение его в две молекулы глицеральдегид-3-фосфата.

За этим следует сложная цепочка превращений (цикл Кальвина), приво­ дящая к включению фиксированного остатка С02 в строящуюся молекулу гексозы и регенерации израсходованного при фиксации С02 рибулозо-1,5- дифосфата. Полную схему цикла Кальвина можно найти в любом учебнике по биохимии.

На внутренней мембране митохондрий и на мембране тилакоидов проис­ ходит образование градиента концентрации протонов, за счет которого в ито­ ге происходит фосфорилирование ADP с образованием АТР. Подробнее во­ прос будет рассмотрен в § 15.4.

§ 15.2. Мембранные рецепторы

Важнейшей функцией мембранных белков является прием сигналов, по­ ступающих к клетке из окружающей среды и от других клеток и органов того же организма. Сигналом в большинстве случаев являются специальные веще­ ства, в первую очередь гормоны (гл. 17). Помимо гормонов, у достаточно вы­ сокоразвитых организмов, обладающих зрением, в качестве сигнала имеется электромагнитное излучение (свет). Восприятие сигналов осуществляется специфическими для каждого вида сигнала вмонтированными в мембрану белками-рецепторами. Первичным актом при получении гормонального сиг­ нала является образование комплекса сигнального вещества со специфиче­ ским белком-рецептором. При поглощении света первичным актом является переход рецептора в возбужденное состояние. Взаимодействие с рецептором является пусковым механизмом для включения цепи, передающей в итоге сигнал определенной физиологически значимой исполнительной системе. Число рецепторов и число систем передачи сигналов и включаемых ими био­ логических функций весьма велико, ниже будут приведены лишь отдельные примеры. Рассмотрение таких систем является прерогативой физиологии.

Наиболее широко представлен механизм передачи сигнала, основанный на функционировании так называемых G-белков. Эти белки заякорены на внутренней стороне мембраны. Их название отражает способность связывать

Другой важнейший путь трансмембранного проведения и усиления гор­ монального эффекта - подключение в качестве посредника ионов Са2+, эф­ фективно входящего в клетку через специальные кальциевые каналы. Меха­ низмом, запускающим последующие действия ионов Са2+, является его взаи­ модействие с белком кальмодулином, имеющим 4 места связывания ионов кальция. В то же время кальмодулин может связывать ионы Mg2+ с констан­ той связывания на три порядка ниже, чем в случае ионов Са2+, и, вероятно, в клетке, не стимулированной гормоном, белок находится преимущественно в неактивной тетрамагниевой форме. В капьмодулине также имеется необыч­ ная аминокислота триметиллизин. В цитозоле он находится в фосфорилированном состоянии, а с мембранными белками связывается в дефосфорилированной форме. При нарастании концентрации ионов Са2+ до 1 O' М, стимули­ руемом гормоном, кальмодулин связывает ионы кальция и в активированном виде взаимодействует с разными типами клеточных белков-рецепторов, уси­ ливая в результате ряд эффектов. При этом группа эффектов направлена так­ же на изменение концентрации сАМР в клетке.

Другим важным эффектом в отдельных тканях является активация гуанилатциклазы, катализирующей превращение GTP в cGMP, в случае, когда по­ средником в действии гормона является cGMP, который реализует свои эф­ фекты путем активации cGMP-завиеимых протеинкиназ, что в свою очередь обуславливает падение внутриклеточного уровня Са2+

Восприятие света происходит в результате действия специального рецеп­ тора - родопсина, который является комплексом белка опсина и 11-цис- ретиналя, связанного своей альдегидной группой с s-аминогруппой остатка лизина опсина. Первичным результатом поглощения фотона родопсином яв­ ляется изомеризация 11-г/ис-ретиналя

СНО

в полностью /иранс-ретиналь. Этот процесс возбуждает нервный импульс. Поскольку структура полностью транс-ретиналя не соответствует конфор­ мации активного центра белка опсина, ретиналь от него отщепляется. Далее полностью транс-ретиналь снова изомеризуется в исходный 11 -цис- ретиналь, который вновь связывается с опсином, образуя родопсин.

§ 15.3. Транспортные белки мембран

Транспорт веществ через мембрану связан с прохождением переносимо­ го вещества через гидрофобный слой. Через этот слой путем диффузии мо­ гут проходить только молекулы небольшого размера, такие как 0 2, С02. Н20 . Единственным препятствием в этих случаях является необходимость этим молекулам перед переносом избавиться от сольватной оболочки, кото­ рая восстанавливается после возвращения их в водное окружение. Пересе­ кают этот слой также достаточно большие по размеру гидрофобные молеку­ лы, например, молекулы стероидов. Такие перемещения происходят при на­ личии разности концентраций переносимого вещества по обе стороны мем­ браны путем простой диффузии в направлении меньшей концентрации. Ос­ тальные процессы переноса происходят при непосредственном участии спе­ циальных, связанных с мембраной белков.

Переход через мембрану требует определенной затраты энергии. В ряде случаев достаточно разности концентраций переносимого вещества в окру­ жающей среде и внутри клетки. Примером такого переноса является перенос глюкозы из плазмы крови, где ее концентрация составляет величину порядка 5 мМ, в цитоплазму активно потребляющих ее эритроцитов. Перенос осуще­ ствляется с помощью трансмембранного белка глюкозопермеазы с молеку­ лярной массой 45 кДа, пептидная цепь которого 12 раз пересекает плазмати­ ческую мембрану. Механизм действия этой пермеазы, равно как и других транспортных белков, можно представить себе как взаимодействие молеку­ лы переносимого вещества с расположенным на наружной стороне мембра­ ны рецептором и как вызванное этим взаимодействием конформационное превращение белка, приводящее к переносу связанного вещества на внут­ реннюю часть мембраны, и диссоциация комплекса с переходом вещества в цитоплазму. В случае переноса ионов превращение белка может происхо­ дить без изменения разности зарядов между окружающей средой и цито­ плазмой, если одновременно осуществляется компенсирующий перенос дру­ гих заряженных частиц. Такой процесс называется антипортом. У эритроци­ тов антипорт происходит с анионами НСОз'. Конечным продуктом окисле­ ния органических соединений в тканях является С02. Далее эта частица дол­ жна поступить в легкие, откуда выдыхается. Перенос С02 от тканей в легкие осуществляется током крови в виде НСОз*, который растворим в плазме кро­ ви лучше, чем С02. Образование аниона из С02 катализируется ферментом карбоангидразой, находящимся в эритроцитах. Поэтому этот анион должен дважды пересечь плазматическую мембрану эритроцитов - в тканях после его образования в эритроцитах для введения в плазму и в легких для его пре­ вращения в выдыхаемую С02. Этот перенос осуществляется одновременно с пересечением мембраны в противоположном направлении анионами СГ. Эти переносы осуществляются трансмембранным белком, пептидная цепь кото­ рого 12 раз пересекает плазматическую мембрану эритроцитов. Анионный обмен с помощью этого белка не требует затраты энергии.

Примером переноса, требующим затраты энергии в виде гидролиза од­ ной макроэргической связи в АТР, является Ыа+,К+-зависимая АТФаза, рас­ смотренная в § 15.4, с помощью которой осуществляется перенос двух ио­ нов К+ из окружающей среды в клетку и трех ионов Na+ в противоположном направлении. Этот перенос создает трансмембранный электрический потен­ циал (потенциал покоя).

Второй возможный механизм может заключаться в существовании или образовании специального канала, по которому может произойти диффузия подлежащих переносу молекул из окружающей среды в клетку.

Перенос метаболитов через мембраны в ряде случаев осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков, которые присоединяют мета­ болит с одной стороны и отдают его с другой стороны мембраны. Например, перенос жирных кислот, находящихся в цитоплазме в виде ацилированного кофермента А, в митохондриальный матрикс, где происходит их окислитель­ ная деструкция, осуществляется из цитоплазмы с помощью специального пе­ реносчика карнитина (З-гидрокси-4-триметиламинобутановая кислота).

У эукариот гликолиз происходит в цитоплазме, цикл трикарбоновых ки­ слот осуществляется в митохондриальном матриксе, а цепь переноса элек­ тронов вмонтирована во внутреннюю мембрану митохондрий. Поэтому для использования восстановительных эквивалентов двух молекул NADH, обра­ зовавшегося в цитозоле, эти два эквивалента должны быть перенесены из ци­ топлазмы на внутреннюю мембрану митохондриального матрикса. Однако митохондриальные мембраны для достаточно гидрофильного NADH непро­ ницаемы. Поэтому выработан специальный механизм переноса, заключаю­ щийся в промежуточном превращении NADH с потерей его восстановитель­ ных эквивалентов в соединение, способное пересечь мембрану и затем в мат­ риксе частично или полностью воспроизвести эти эквиваленты. Такой меха­ низм получил название челночного. Для переноса восстановительных эквива­ лентов через внутреннюю мембрану существует два механизма. В обоих уча­ ствуют специальные ферменты.

Один из них состоит в восстановлении диоксиацетонфосфата с помощью цитоплазматической дегидрогеназы до фосфоглицерата по реакции

СН20НС0СН20 Р 0 3- + NADH <->СН20НСН0НСН20 Р 03' + NAD+

Образовавшийся в цитозоле фосфоглицерат способен пересекать мембра­ ну и в матриксе с помощью митохондриальной глицерол-3-фосфат дегидро­ геназы восстанавливаться до дигидроксиацетонфосфата. Этот фермент явля­ ется флавопротеидом, и в его составе FAD окисляет фосфоглицерат до ди­ гидроксиацетонфосфата с образованием FADH2, который передает два атома Н убихинону в составе комплекса III.

CH20HCH0HCH20 P 0 3- + FAD о СН2ОНСОСН2ОРОз‘ + FADH2

В этом случае два электрона попадают в ЦПЭ, минуя комплекс I, в ре­ зультате чего не происходит образования двух молекул АТР, которые могли бы образоваться при восстановлении NADH в комплексе I. Этот челночный механизм у высших животных действует в скелетных мышцах и в мозге.

Второй, более сложный, челночный механизм функционирует в печени, почках и сердце. Он состоит в восстановлении оксалоацетата до малата с по­ мощью цитоплазматической малатдегидрогеназы в реакции с NADH

СОО'-СО-СН2СОО' + NADH -> СОО -СНОН-СН2СОО" + NAD+

Малат может пересечь мембрану с помощью специальной системы транс­ порта малата и а-кетоглутарата. В матриксе происходит обратная реакция с образованием NADH, что означает возвращение, но уже в матриксе, двух восстановительных эквивалентов. Оксалоацетат по реакции, катализируемой соответствующей аминотрансферазой,

'ООССОСН2СОО' + OOCCH(NH3+)CH2CH2COO‘ о

o OOCCH(NH3+)CH2COO‘ + ООССОСН2СН2СОО’

путем переаминирования с глутаматом превращается в аспартат. Образовав­ шийся а-кетоглутарат может переходить из матрикса в цитоплазму с помо­ щью уже упомянутой транспортной системы. Образовавшийся аспартат мо­ жет проходить через мембрану из матрикса в цитоплазму с помощью вмон­ тированной в мембрану системы для переноса аспартата и глутамата. В цито­ плазме аспартат с помощью реакции переаминирования переводится в окса­ лоацетат, который, тем самым, регенерируется. В отличие от челночного ме­ ханизма, основанного на переносе глицерол-фосфата, перенос в этом случае не сопровождается потерей восстановительных эквивалентов.

§ 15.4. Трансмембранные потенциалы

Гидрофобные мембраны непроницаемы для ионов. Поэтому концентра­ ции ионов по разные стороны мембраны могут различаться. Это приводит к тому что между разделяемыми мембраной фазами возникает разность потен­ циалов. Эта разность составляет несколько десятков милливольт. Однако в силу малой толщины мембраны это приводит к огромной величине гради­ ента потенциала. Например, при толщине мембраны 6 нм и разности в 60 мВ градиент потенциала составит 105 В/см. Разность потенциалов между двумя сторонами мембраны называется трансмембранным потенциалом. Этот по­ тенциал у разных клеток и организмов лежит в пределах от -40 до -90 мВ.

Существование этого потенциала в основном обусловлено двумя процес­ сами. Один из них связан с перемещением в мембране ионов К+ и Na+, а второй - с перемещением протонов.

Для нормального функционирования большинства клеток необходимо повышенное, по сравнению с окружающей средой, содержание ионов К+ и пониженное содержание ионов Na+ Это достигается за счет присутствия в плазматической мембране специального фермента - Ыа+,К+-зависимой АТФазы, который катализирует гидролиз пирофосфатной связи в аденозинтрифосфате (АТР) сопряженно с переносом при каждом акте гидролиза двух ионов К+ из окружащей среды в клетку и встречного переноса трех ионов Na+. В результате этого переноса внутренняя часть клетки оказывается отри­ цательно заряженной по отношению к окружающей среде, т. е. возникает трансмембранный потенциал.

С существованием этого потенциала непосредственно связано функцио­ нирование нервной системы. Передача нервного импульса происходит в ре­ зультате перемещающегося вдоль аксона локального повышения потенциала, который в этом случае называется потенциалом действия. Это повышение потенциала достигает нескольких десятков милливольт.

Еще более широкую роль в жизнедеятельности эукариотических орга­ низмов играют вмонтированные в мембраны комплексы ферментов, катали­ зирующие создание разности концентраций протонов по разным сторонам мембраны. У аэробных организмов эта разность создается за счет многосту­ пенчатого окисления восстановленного NADH молекулярным кислородом. У растений она создается за счет энергии поглощенного света. Согласно хемиоосмотической теории Митчелла (Peter Mitchel) эта разность концентраций обеспечивает протекание термодинамически неблагоприятного присоедине­ ния ортофосфата к Р-фосфату ADP с образованием АТР, т. е. обеспечивает окислительное или фотосинтетическое фосфорилирование.

Разность концентрации протонов на внутренней митохондриальной мем­ бране возникает в результате функционирования трех комплексов, вмонитрованных в мембрану. В комплексе I осуществляется окисление NADH, образо­ вавшегося в матриксе в результате ступенчатого окисления до С02 и воды ацетильного остатка в ацетилированном коферменте А. Сам C0ASCOCH3 об­