Структура и состав биологических мембран

Структура и состав биологических мембран

2

Структура и состав биологических мембран

Содержание

• 1. Роль мембран и их разнообразие
• 2. Исторический очерк
• 3. Морфология мембран
• 3.1 Дифракция рентгеновских лучей
• 3.2 Электронная микроскопия
• 4. Выделение мембран
• 4.1 Разрушение клеток
• 4.2 Разделение мембран
• 4.3 Критерии чистоты мембранных фракций

1. Роль мембран и их разнообразие

Мембраны играют ключевую роль как в структурной организации, так и в функционировании всех клеток - прокариотических и эукариотических, растительных и животных. Мембраны формируют внутриклеточные компартменты, с их помощью происходит разделение содержимого компартментов и окружающей их среды. Но если бы это была единственная функция мембран, они не были бы для нас столь интересны. Мембраны не только разделяют клетку на отдельные компартменты, но и участвуют в регуляции всех связей и взаимодействий, которые осуществляются между наружной и внутренней сторонами этих компартментов. Это может проявляться в виде физического переноса ионов или молекул через мембрану или в форме передачи информации при помощи конформационных изменений, индуцируемых в мембранных компонентах. Кроме того, с мембранами связаны многие клеточные ферменты. Некоторые из них катализируют трансмембранные реакции, когда реагенты находятся по разные стороны мембраны или когда каталитический акт сопровождается транспортом молекул. Другие ферменты образуют своеобразные комплексы, которые осуществляют цепь последовательных превращений, причем благодаря тому, что эти ферменты располагаются в плоскости мембраны, повышается эффективность всего процесса. Имеются ферменты, которые, действуя на мембраносвязанные субстраты, участвуют тем самым в биосинтезе мембран. С участием мембран в той или иной степени осуществляется большинство жизненно важных клеточных функций, например протекают такие разные процессы, как репликация прокариотической ДНК, биосинтез белков и их секреция, биоэнергетические процессы и функционирование систем гормонального ответа.

Данные, полученные при изучении клеток млекопитающих методом электронной микроскопии, свидетельствуют о наличии широко развитой сети внутриклеточных мембранных образований, которая занимает значительную часть внутреннего объема клетки. Сейчас уже не вызывает сомнений, что основные принципы структурной организации всех этих мембран по сути одинаковы. Более того, эти принципы соблюдаются также и в случае мембран растительных и бактериальных клеток. Основные закономерности, установленные Робертсоном в конце 1950-х гг., позволяют нам переносить результаты, полученные при исследовании одной мембранной системы, на другие системы. Естественно, учет специфики здесь необходим, поскольку, как это ни парадоксально звучит, одной из самых характерных особенностей мембран является их чрезвычайное разнообразие. Такое разнообразие обусловлено прежде всего разнообразием белков, присутствующих в каждой мембране, и способов их взаимодействия друг с другом и с компонентами цитоплазмы. Эти взаимодействия в конечном счете проявляются в специфической морфологии мембранных образований и могут быть связаны с латеральной гетерогенностью той или иной мембраны. Таким образом, основная задача заключается в том, чтобы, опираясь на общие представления о структуре и функциях мембран, выявить молекулярно-биологические основы их структурного и функционального разнообразия.

Успехов в исследовании мембран удалось достичь благодаря сравнительному изучению мембран из множества разнообразных организмов. Бактериальные клетки имеют довольно простую наружную оболочку, содержащую одну или две мембраны, которые можно модифицировать генетически или путем изменения условий роста клеток. Вирусы с оболочкой внедряются в клетки животных благодаря слиянию с плазматической мембраной последних и высвобождаются из клетки-хозяина, отпочковываясь от нее. Изучение созревания вирусных белков позволяет узнать много нового о процессах биосинтеза мембранных белков.

Эукариотические клетки содержат различные мембранные орга-неллы, причем каждая мембрана уникальна по своему составу, особенностям структурной организации и по характеру выполняемых функций. Для того чтобы понять мотивы исследований, описанных в последующих главах, необходимо получить некоторые общие представления о биологических функциях различных мембранных систем. На рис.1.1 схематически изображены мембраны, обычно представленные в животной и растительной клетках. Заметим, что внешний вид органелл неодинаков в клетках разного типа. Кроме того, некоторые клетки, например палочки сетчатки, а также клетки скелетных мышц, имеют высокоспециализированные мембраны, выполняющие уникальные функции.

Плазматическая мембрана. Плазматическая мембрана образует границу, на которой осуществляется контакт клетки с ее окружением.

Она содержит специализированные компоненты, участвующие в межклеточных контактах и взаимодействиях, в системах гормонального ответа и транспорта как малых, так и больших молекул из клетки и внутрь ее. Однако и сама плазматическая мембрана состоит из специализированных участков, которые имеют различное окружение. На рис.1.2 изображены апикальный и базолатеральный участки плазматической мембраны гепатоцитов и поляризованных эпителиальных клеток. Апикальная мембрана контактирует с какой-либо внутриклеточной средой. Так, у гепатоцитов она обращена в просвет желчных канальцев, а у эпителиальных клеток кишечника - в просвет желудочно-кишечного тракта.

Она может иметь специализированные структуры, например микроворсинки; последние в некоторых всасывающих клетках образуют щеточную каемку. Микроворсинки значительно увеличивают площадь поверхности мембраны, в результате чего повышается эффективность мембранного транспорта. Базолатеральная мембрана находится в контакте с другими клетками или обращена в просвет кровеносных сосудов. Латеральная и синусоидная мембраны гепатоцитов различаются как по своей морфологии, так и биохимически.

Базолатеральная мембрана гепатоцитов имеет также специализированные структуры, ответственные за межклеточную адгезию и транспорт. Плотные контакты герметизируют область соприкосновения клеток и предотвращают перемешивание содержимого желчных канальцев и кровеносных сосудов.

Щелевые контакты содержат множество регулярно расположенных пор, которые позволяют небольшим молекулам проходить через плазматические мембраны двух соприкасающихся клеток. Электронно-микроскопические и биохимические исследования выявили характерные детали молекулярной организации этих пор, показав, что каждая из них содержит гексагонально упакованные белковые субъединицы.

Десмосомы также обеспечивают клеточную адгезию и участвуют во взаимодействии плазматической мембраны с элементами цитоскелета.

Апикальный, латеральный и синусоидный участки плазматической мембраны различаются морфологически и имеют уникальный состав и функции. Если клетки разрушить в мягких условиях, то можно выделить и очистить фракции, отвечающие этим участкам плазматической мембраны. Как на молекулярном уровне обеспечивается в клетке существование таких специализированных доменов, пока неясно, хотя известно, что не все их компоненты способны свободно диффундировать между доменами.

Ядерная мембрана. Ядерная оболочка клетки, находящейся в интерфазе, на электронных микрофотографиях имеет вид двух элементарных мембран с узким просветом между ними, называемым перинуклеарным пространством. Эта мембрана происходит из эндоплазматического ретикулума и, по-видимому, неразрывно связана с ним. Наиболее характерными морфологическими признаками являются порообразные структуры. Они имеют диаметр около 600 А и состоят из морфологически четко выявляемых компонентов, образующих октагональную решетку. В том месте, где расположены эти структуры, внутренняя и наружная ядерные мембраны выглядят слившимися. Полагают, что поры позволяют комплексам мРНК-белок переходить из ядра в цитоплазму, а регуляторным белкам перемещаться в обратном направлении, из цитоплазмы в ядро. Биохимические данные о ядерной оболочке весьма немногочисленны.

Эндоплазматический ретикулум. Это сложная сеть цистернообразных или трубчатых структур, которая занимает значительную часть внутреннего объема обычной животной клетки. Основная роль ЭР состоит в том, что он служит местом биосинтеза белков, которые затем секретируются, включаются в лизосомы или в плазматическую мембрану. Потенциально опасные для клетки гидролитические ферменты, которые должны секретироваться или накапливаться в лизосомах, подвергаются в ЭР процессингу до зрелой формы. С ЭР часто бывают связаны рибосомы, в результате чего на электронных микрофотографиях он выглядит шероховатым. Сложные процессы, в ходе которых осуществляется синтез белков, их превращение в зрелую форму и направленная доставка к месту назначения, описаны в гл.10.

Области ЭР, не содержащие рибосом, называются гладким ЭР. Здесь осуществляется биосинтез стеролов, протекают реакции детоксикации и происходит десатурация жирных кислот. Все эти процессы входят в сложную, согласованную систему транспорта электронов, осуществляемого при участии цитохромов bs и Р450.

Аппарат Гольджи. Эта органелла состоит из сети уплощенных мешков, собранных в стопки. Основная его функция заключается в посттрансляционной модификации гликопротеинов, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме и предназначенных для секреции, включения в плазматическую мембрану или доставки в лизосомы. Эти органеллы содержат гликозидазы и гликозилтрансферазы, которые вступают в действие последовательно, по мере того как белок, подвергаемый процессингу, перемещается от начала аппарата Гольджи до его конца. Фактически аппарат Гольджи состоит из совокупности отдельных мембран, образующих цистерны. Эти мембраны, которые можно выделить, характеризуются определенным набором ферментов. Механизмы транспорта мембран и секретируемых белков через аппарат Гольджи рассмотрены в гл.10.

Лизосомы. Эти органеллы ответственны за деградацию макромолекул и содержат ряд гидролитических ферментов, таких, как протеазы и липазы. Вещества, захваченные клеткой путем эндо- или фагоцитоза, которые необходимо расщепить, доставляются в лизосомы с помощью везикул. В лизосомах происходит также расщепление клеточных компонентов в ходе их обычного круговорота. Как осуществляются синтез лизосомных ферментов, их маркировка для доставки в лизосомы и последующий транспорт - изучено достаточно хорошо. Эти процессы рассматриваются в гл.10.

Пероксисомы. Эти органеллы содержат окислительные ферменты, участвующие в деградации малых молекул, таких, как аминокислоты, ксантин и, в особенности, жирные кислоты. Их название связано с присутствием в них каталазы, которая разлагает перекиси, образующиеся как побочные продукты при реакциях окисления.

Митохондрии. В этих органеллах осуществляется окислительное фосфорилирование, в результате чего в ходе окисления субстратов, таких, как NADH или сукцинат, образуется АТР. Митохондрии образованы двумя мембранами, разделенными некоторым промежутком. Внутренняя область митохондрий называется матриксом. Внутренняя мембрана образует складки в виде перегородок, называемых кристами, и содержит ферменты, участвующие в транспорте электронов и синтезе АТР. В гл.6 обсуждаются роль диффузии в плоскости мембраны компонентов цепи электронного транспорта и ее функциональное значение. Вопросы, связанные с синтезом белков митохондрий, который происходит в цитоплазме, и с их доставкой в один из митохондриальных компартментов или в одну из мембран, рассматриваются в гл.10.

Хлоропласты. Это органеллы, содержащие фотосинтетический аппарат. Они имеют наружную оболочку, образуемую двумя мембранами, и внутреннюю область - строму. В строме находятся тилакоидные мембраны, где локализованы компоненты системы фотосинтеза. На отдельных участках тилакоидные мембраны плотно упакованы в стопки, а на других обращены непосредственно к строме. Состав плотноупакованных и обращенных в строму доменов тилакоидной мембраны различен, что указывает на латеральную гетерогенность этой мембраны. Энзимология фотосинтезирующей цепи электронного транспорта обсуждается в разд.6.6.

Следует подчеркнуть, что при изучении каждой из мембран, упомянутых выше, а также и других специализированных мембран из клеток животных, растений или бактерий возникает целый комплекс важных и интересных вопросов, требующих своего решения, и открываются широкие возможности для биохимических исследований. Другие мембранные системы, представляющие интерес в этом отношении, будут описаны в последующих главах книги.

2. Исторический очерк

Тот факт, что плазматическая мембрана, окружающая клетки, представляет собой вполне определенную структуру, был осознан в середине XIX столетия.

На исходе этого столетия Овертон обратил внимание на корреляцию между скоростью, с которой небольшие молекулы проникают в растительные клетки, и их коэффициентом распределения между маслом и водой; это привело его к мысли о липидной природе мембран. В 1925 г. Гортер и Грендел предположили, что липиды в мембране эритроцитов образуют биомолекулярный слой. Эта идея возникла на основе результатов элегантного и простого эксперимента.

Липиды эритроцитов экстрагировали ацетоном и затем в кювете Лэнгмюра получали из них тонкую пленку на поверхности воды.

С помощью поплавка сжимали слой липидных молекул на границе раздела вода-воздух до тех пор, пока этот слой не начинал оказывать сопротивление дальнейшему сжатию; это явление было объяснено образованием плотноупакованной мономолекулярной липидной пленки. Измерение площади, занимаемой липидами, и сравнение ее с площадью поверхности эритроцитов, из которых эти липиды были экстрагированы, дали соотношение 2:

1. Отсюда был сделан вывод, что мембрана эритроцитов состоит из липидных молекул, расположенных в два слоя.

По-видимому, этот вывод Гортера и Грендела оказался правильным только благодаря взаимной компенсации ошибок, однако в историческом плане эта работа имела большое значение, поскольку с тех пор концепция липидного бислоя как структурной основы биологических мембран стала доминирующей и на самом деле оказалась верной.

Концепция бимолекулярной липидной мембраны получила дальнейшее развитие в предложенной в 1935 г. модели Дэвсона-Даниелли, или модели "сэндвича", в которой предполагалось, что белки покрывают поверхность липидного бислоя. Это была необыкновенно удачная модель, и в течение последующих 30 лет многочисленные экспериментальные данные, особенно полученные с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии, полностью подтвердили ее адекватность. Однако тогда же обнаружилось, что мембраны выполняют огромное множество функций, и чтобы объяснить этот феномен, исходная модель Дэвсона-Даниелли неоднократно подвергалась модификациям.

Быстрый прогресс в мембранологии, в результате которого сформировались современные представления, был достигнут в значительной мере благодаря успехам в изучении свойств мембранных белков. Электронно-микроскопические исследования с применением метода замораживания-скалывания показали, что в мембраны встроены глобулярные частицы. Тем временем биохимикам с помощью детергентов удалось диссоциировать мембраны до состояния функционально активных "частиц". Данные спектральных исследований указывали, что для мембранных белков характерно высокое содержание а-спиралей и что они, вероятно, образуют глобулы, а не распределены в виде монослоя на поверхности липидного бислоя. Неполярные свойства мембранных белков наводили на мысль о наличии гидрофобных контактов между белками и внутренней неполярной областью липидного бислоя. Тогда же были разработаны методы, позволившие выявить текучесть липидного бислоя. Сингер и Николсон свели воедино все эти идеи, создав жидкостно-мозаичную модель. В рамках этой модели мембрана представляется как текучий фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки. Прежняя модель Дэвсона-Даниелли была статичной и успешно объясняла имевшиеся в то время структурные данные, полученные с довольно низким разрешением. В то же время начиная с 1970 г. большое внимание стало уделяться изучению динамических свойств и их взаимосвязи с мембранными функциями. В последние годы жидкостно-мозаичная модель тоже подверглась модификации, и этот процесс будет продолжаться. В частности, теперь стало ясно, что не все мембранные белки свободно диффундируют в жидком липидном бислое. Имеются данные о существовании латеральных до-j менов в самой мембране. Тщательно изучается также роль цитоскелета. Становится все очевиднее, что некоторые участки мембран, по-видимому, отличаются по своей структуре от классического липидного бислоя. Тем не менее в обозримом будущем жидкостно-мозаичная модель в ее разных модификациях будет служить в качестве концептуальной основы для многих мембранных исследований.

3. Морфология мембран

Важную роль в выяснении морфологии мембран сыграли два метода: дифракция рентгеновских лучей и электронная микроскопия. Именно с их помощью была подтверждена правильность бислойной модели. Однако следует иметь в виду, что при выяснении детальной картины молекулярной организации мембран оба этих метода сталкиваются с рядом ограничений.

3.1 Дифракция рентгеновских лучей

При исследовании высокоупорядоченных кристаллических образцов с помощью метода дифракции рентгеновских лучей удается получить информацию о структуре с высоким разрешением. В случае же малоупорядоченных препаратов возможности этого метода ограничены. Некоторые специализированные мембранные системы уже имеют регулярную структуру, и потому их можно изучать рентгено-структурными методами. Примером такого рода служит миелиновая оболочка периферических нервных волокон; она представляет собой мембрану, которая, многократно оборачиваясь вокруг аксона, формирует регулярную систему из концентрических мембранных структур. Исследования дифракции рентгеновских лучей на миелине, проведенные еще в 30-х гг., подтверждают адекватность бислойной модели мембран. К такому же выводу приводит и изучение наружного сегмента палочек сетчатки позвоночных, которые представляют собой природные упорядоченные мембранные системы, а также искусственно упорядоченных систем, которые образуются при коллапсировании в условиях центрифугирования мембранных везикул, полученных из митохондрий и эритроцитов. Во всех этих случаях наблюдалось сходное распределение электронной плотности в мембране, показанное на рис.1.4

Для интерпретации рентгеноструктурных данных необходимо определить не только интенсивности рефлексов, но и их фазы. В случае регулярно упакованных мембранных систем задача значительно упрощается, поскольку эти системы состоят из повторяющихся элементов с центральной симметрией.

Полученные данные показывают, что структура всех мембран сходна: они имеют гидрофобную внутреннюю область с низкой электронной плотностью и два слоя полярных группировок с высокой электронной плотностью. Рентгеноструктурные данные, полученные для разных мембран, различаются лишь незначительно, несмотря на большие различия в содержании в них белка. Хотя рентгеноструктурные данные позволяют получить некоторую информацию о том, как расположена в мембране основная масса мембранных белков, в целом метод рентгеноструктурного анализа не дает детальной молекулярной картины.

Уилкинс и др. отметили в 1971 г., что метод дифракции рентгеновских лучей можно использовать и для изучения водных дисперсий мембран и фосфолипидов. При этом рефлексы, порождаемые полярными областями на обеих сторонах бислоя, позволяют найти его толщину, равную расстоянию между полярными головками, а по рефлексам, порождаемым упорядоченными углеводородными цепями, можно определить расстояние между этими цепями. И в этом случае мембранные препараты, полученные из разных источников, дали сходную дифракционную картину, что подтверждает универсальность бислойной модели.

Невозможность получения с помощью метода дифракции детальной молекулярной картины ограничивает применение этого метода для изучения биологических мембран. Однако он может быть весьма полезен при исследовании упорядоченных липидно-водных систем.

3.2 Электронная микроскопия

Просвечивающая электронная микроскопия тонких срезов миелина, а фактически и всех остальных мембран, выявляет характерную трехслойную структуру, состоящую из двух электроноплотных полос, разделенных промежутком около 80 А. Такая картина получается в значительной мере в результате обработки препаратов четырехокисью осмия, обычно применяемой в этом методе. Робертсон назвал наблюдаемую структуру "унитарной", чтобы подчеркнуть ее универсальность, и хотя молекулярные механизмы прокрашивания мембран осмием неизвестны, эта структура рассматривалась как подтверждение справедливости бислойной модели мембраны. Ясно, однако, что при подготовке препаратов для просвечивающей электронной микроскопии мембраны могут подвергаться неблагоприятным воздействиям. В частности, известно, что обработка четырехокисью осмия приводит к значительной потере белка из эритроцитарной мембраны. И хотя наблюдаемая при этом трехслойная структура в некоторой степени отражает организацию бислойных мембран, более детальные сведения относительно локализации белков этим методом получить не удается.

Некоторую информацию о расположении мембранных белков дали новые методы, ставшие теперь уже "классическими", - методы замораживания-скалывания и замораживания-травления. В этих случаях препараты быстро замораживают, не подвергая их при этом каким-либо повреждающим воздействиям, как при получении тонких срезов. Процесс подготовки препарата включает следующие операции.

После замораживания образец, представляющий собой суспензию клеток или мембран, скалывают с помощью ножа при низкой температуре в глубоком вакууме. Возникающие при скалывании усилия приводят к образованию среза, проходящего через образец. Оказалось, что, когда плоскость среза проходит через мембрану, последняя раскалывается преимущественно по своей срединной области и расщепляется на две половинки. В результате на образовавшихся плоскостях скола обнажается внутренняя область мембраны.

Страницы: 1, 2