Структура и функции биологических мембран - Трошин А.С.
Скачать (прямая ссылка):
1972). Наличие ^-складчатой структуры белков, наряду с а-спиральной, ?было обнаружено на внутренних и внешних мембранах митохондрий {Wallach et al., 1969) при исследовании методами ДОВ, КД и ИКС.
Анализ спектров оптической активности мембранных фракций позволяет считать, что основной вклад в стабилизацию мембранной структуры вносят гидрофобные взаимодействия как между липидами и белками, так и между а-спиральными участками последних. Вместе с тем наличие участков мембранных белков в (3-складчатой конформации и данные по экстракции некоторых белков при высоких pH не исключают также определенной роли полярных взаимодействий в стабилизации мембраны.
Таким образом, пространственные взаимоотношения белков и липидов, характерные для традиционной модели мембранной структуры, в которой все белки находятся в jJ-конформации и располагаются на полярной поверхности липидного бислоя, не удовлетворяют приведенным данным.
Новые модели структурной организации клеточных мембран
В последние годы рядом исследователей предложены имеющие много ?общего модели структурной организации мембран, которые учитывают важную роль гидрофобных взаимодействий между белками и липидами {Lenard, Singer, 1966; Vanderkooi, Green, 1970; Singer, Nicolson, 1972).
ГЛАВА 1. СТРУКТУРА И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН Ц
Несмотря на то что модель Ленарда и Зингера основана лишь на данных об оптической активности мембранных фракций эритроцитов и ?бактериальных клеток и игнорирует ряд сведений, полученных другими методами (в частности, наличие полярных взаимодействий белок — липид), в ней впервые учитывается ключевая роль гидрофобных взаимодействий в стабилизации мембранной структуры.
Эта модель (рис. 1, А) учитывает следующее: 1) полярные головки фосфолипидов вместе со всеми ионными боковыми цепями «структурного» белка находятся на поверхности мембран, контактируя с водной фазой; 2) неполярные цепи структурного белка вместе с углеводородными цепями
гом
Рис. 1. Модели мембраны
А — по Ленарду и Зингеру (Lenard, Singer, 1966); Б — по Вандеркой и Грину (Vanderkooi, Green, 1970); В — по Зингеру и Николсону (Singer, Nicolson, 1972); б — белки, л — липиды, бс — белковые субъединицы; гом — гидрофобная область мембраны
фосфолипидов и нейтральными липидами располагаются внутри мембраны, где они стабилизируются гидрофобными взаимодействиями; 3) «структурные» белки характеризуются определенной последовательностью аминокислот, которые специально приспособлены для взаимодействия с липидными компонентами мембраны и водным окружением. Все конформации -«структурного» белка детерминированы этими взаимодействиями. Следует отметить, что предложенная модель лучше согласуется с субъеди-ничной организацией мембранной структуры.
Модель Вандеркой и Грина (рис. 1, Б) также учитывает важную роль гидрофобных взаимодействий белок — липид и белок — белок, однако в отличие от вышеприведенной модели, авторами предпринята попытка более детально локализовать отдельные химические компоненты мембраны, используя имеющиеся электронно-микроскопические и рентгеноструктурные данные.
Рентгеноструктурное исследование ряда белков (миоглобина, лизо-цима, феррицитохрома с и др.) показало, что в белковом кристалле имеется ограниченное число контактов между молекулами; пространства между контактами заполнены растворителем (водой). Боковые аминокислотные остатки, ограничивающие полости, преимущественно полярны, поэтому присутствие воды энергетически выгодно. Содержание воды в изученных белковых кристаллах достигает 50% от их полной массы.
При создании модели авторы исходили из предположения, что основной принцип стабилизации белкового кристалла может быть перенесен
12 СТРУКТУРНАЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН
на структуру мембраны. В этом случае белки мембраны должны иметь относительно большое содержание неполярных аминокислотных радикалов на своей поверхности, а полости, образующиеся при ассоциации белковых молекул, должны образовывать непрерывную зону из растворителя (фосфолипидов), обладающего гидрофобными свойствами. Имеется ряд доказательств правомочности этой аналогии. Так, наличие областей контактов между белковыми молекулами и гидрофобным остовом мембраны подтверждается данными, полученными при экстракции липидов из мембран митохондрий и миелина: практически полная экстракция липидов из этих мембран не меняет их электронно-микроскопической картины. Такая ситуация доказывает важную роль межбелковых взаимодействий в поддержании мембранной структуры. Вместе с тем известно, что дели-пидизированные мембраны слабее интактных. В данном случае, по аналогии с белковым кристаллом, можно говорить о стабилизирующей роли растворителя, т. е. фосфолипидов. Количественное содержание липидов в мембране (27—64% от объема мембраны) соответствует содержанию кристаллизационной воды в изученных белковых кристаллах лизоцима и миоглобина (35,5 и 55% соответственно).
Основное различие между мембранными и растворимыми белками, образующими кристаллы, связано с количеством неполярных аминокислот на поверхности белковой молекулы. Последние, как правило, имеют гидрофобную центральную область, а полярные аминокислоты располагаются на поверхности белковых молекул. Исключение составляет феррицитохром с, в молекуле которого два неполярных «псевдоканала» простираются от неполярной сердцевины к поверхности. В предлагаемой модели предполагается, что в мембранных белках большинство неполярных аминокислотных остатков находится на поверхности их молекул. В пользу такого предположения говорит плохая растворимость мембранных белков в водных растворах. По мнению авторов, большая часть полярных групп белковой глобулы находится на поверхности мембраны. Они, однако, не исключают наличия полярных аминокислот внутри мембраны. В этом случае в мембране должна присутствовать гидратная вода. К сожалению, данные о количественном содержании воды в мембране широко варьируют, а в ряде случае противоречивы.
