Биологиялық мембраналардың құрамы мен құрылысы

Мембрананың негізгі компоненттері ақуыздар мен липидтер болып табылады. Көмірсулар үлесіне мембраналар салмағының 10%-ға жуығы келуі мүмкін, бұл ретте олар гликолипидтердің немесе гликопротеиялардың құрамына әрдайым кіреді. Мембраналардағы ақуыздар мен липидтердің ара қатынасы айтарлықтай өзгереді-миелиндегі ақуыздың 20% — дан 80% — ға дейін митохондриялардағы. Табл. 1.3 және 1.4 мембраналар қатары құрамы бойынша деректер жинақталған. Мембраналардың тығыздығы ақуыздың құрамына тікелей пропорционалды. Изопикниялық Центрифугалау мәліметтеріне қарағанда, мембранадағы ақуыз мөлшері жоғары болса, оның тығыздығы соғұрлым көп.

2-кесте жануарлардың кейбір мембраналарының және бактериялық жасушалардың ақуыз және липидтік құрамы. Л / Б-жабысқақ/ақуыз қатынасы»

Мембрананың белоктық құрамы оны бөлу әдісіне байланысты. Кейбір белоктар мембранамен тығыз байланысты және оны жоғары ерітінділермен немесе керісінше төмен ионды күшпен, сілтілі ерітінділермен немесе құрамында ЭДТ типті хелатирлеуші агенттері бар ерітінділермен жуу кезінде оңай жойылады. Ақуыз мембраналық немесе цитоплазмалық болып табылады ма, оны бөлу барысында мембранамен кездейсоқ байланысқан жағдайлар да бар.

1. МЕМБРАНАЛЫҚ ЛИПИДТЕР

Мембраналық липидтерде олардың үлкен әртүрлілігі таң қалдырады. Мұның себептері әлі анық емес, дегенмен, бұл липидтер мембраналарда орындайтын функциялардың әртүрлілігімен байланысты. Бірақ, әрине, мембраналық липидтердің басты функциясы олар ақуыз өзара әрекеттесетін қышқыл матрикс қалыптастырады. Липидтердің негізгі кластары күріш. 1.8; олардың қысқаша сипаттамасы төменде берілген.

Глицерофосфолипидтер

Бұл ең көп таралған липидтер. Глицеролдың гидроксильді топтарының бірі құрамында фосфат бар полярлық топтаумен, ал басқалары — гидрофобты қалдықтармен байланысты. Гли-церидтердің номенклатурасы стереоспецификалық нөмірлеу жүйесіне негізделген. Егер глицерол Фишер проекциясында бейнелесе, сондықтан орталық топ сол жақта орналасқан болса, онда көміртек атомдары суреттегі көрсетілгендей нөмірленеді. Бұл жағдайда глицерофосфолипид атауына орынбасардың жағдайын белгілеу үшін SN префиксін енгізеді. Әдебиетте стереохимиялық белгілердің бірнеше жүйесі бар: sn, D / L және R / S. — Сур. осы үш жүйеде с-2 атом стереохимиясы ұсынылған. Табиғи фосфолипидтер.

Фосфоглицеридтердің көпшілігінде фосфат тобы ял-3-Глицерол жағдайында болады; ол әдетте күріш ұсынылған топтармен байланысты.

Sn — \ және sn-2 ережелеріндегі ұзын көмірсутекті тізбектер күрделі эфирлік және қарапайым эфирлік байланыстар есебінен қосылуы мүмкін. Бұл тізбектер ұзындығы, тарамдылығы және қанықсыздық дәрежесі бойынша айтарлықтай ерекшеленеді.

1. 1,2-диацилфосфоглицеридтер немесе фосфолипидтер. Бұл липидтер, майлы қышқылдар мен глицеролдың күрделі эфирлері болып табылады, көптеген эукариотикалық және прокарио-тикалық жасушалардың мембраналарында, архебактериялардан басқа. Фосфатидил-холин жануарлар жасушаларының мембраналарының негізгі компоненті болып табылады, ал фосфатидилэтаноламин-бактериялық мембраналардың негізгі липиді. Табл. фосфолипидтер құрамында жиі кездесетін май қышқылдарының қатары көрсетілген, ал кестеде. егеуқұйрықтардың бауырының жасушалық мембраналарының майқышқылды құрамы келтірілген.

Май қышқылдары әрдайым 14-тен 24-ке дейінгі шектерде көміртегі атомдарының жұп санын қамтиды. Ең көп таралған қышқылдар С16, С18 және С20. Қанықпаған дәрежесі әртүрлі болуы мүмкін, бірақ жиі қанықпаған қышқылдар бар 18:1, 18:2, 18:3 және 20:4. Мұнда бірінші Сан ацильді тізбектің ұзындығын білдіреді, ал екіншісі ондағы Қос байланыстардың санын көрсетеді. Барлық дерлік табиғи қышқылдар г/ис-Қос байланыстардың конфигурациясымен сипатталады. Мұндай конфигурациядағы тізбек қышқылға липидті молекулалардың орауын бұзады. Көптеген фосфолипидтер молекулаларының құрамында бір қаныққан және бір қанықпаған тізбектер бар. Жануарлар жасушаларының қанықпаған тізбектері әдетте 5и-2-Глицерол жағдайында болады. Тізбектердің таралуы e.coli жасушаларының фосфолипидтері үшін де тән. Жартылай қанықпаған тізбектердегі қос байланыстар әдетте қанықпаған. Кейбір бактериялық мембраналардың фосфолипидтерінде тармақталған тізбектер, сондай-ақ циклдары бар тізбектер және В /3-жағдайдағы гидроксильді топтар табылды. — Сур. 1.11 осы қышқылдардың кейбір құрылымы көрсетілген.

2. Архебактерияда глицерофосфолипидтердің айналмалы сте-реохимиялық конфигурациясы бар, бұл кезде фосфорлық топтар SN-\-Глицерол жағдайында болады. Көптеген бактериялардың бұл түрінің гидрофобты компоненттері майлы қышқылдардың күрделі эфирлері емес, глицеролдың қарапайым изопранильдік эфирлері болып табылады.

Кардиолипиндер немесе дифосфатидилглицеролдар. Шын мәнінде, бұл фосфолипидтердің димерлік түрлері. Олар митохондрийдің ішкі мембранасында, хлоропласт мембранасында және кейбір бактериялық мембраналарда шом мөлшері ауырады, бірақ басқа мембраналарда сирек кездеседі.

4. Плазмалогендер. Бұл көмірсутек тізбектерінің бірі қарапайым винил эфирі болатын фосфоглицеролипидтер. Этаноламиновые плазмалогены кеңінен ұсынылған миелине және саркоплазматическом ретикулуме жүрек.

Фосфосфинголипидтер

Бұл липидтер глицерофосфолипидтер сияқты полярлық бастары бар, бірақ олардың гидрофоб бөлігі церамидпен ұсынылған. Жануарлар жасушаларының плазмалық мембраналарында сфингомиелин кең таралған. Миелиндегі негізгі май қышқылдық компоненттер 24:1 және 24:0 қышқылдары болып табылады. Өсімдік және бактериялық жасушалардың мембраналарында фосфосфинголипидтер сирек кездеседі. Сфингомиелиннен басқа басқа фосфосфинголипидтер белгілі, мысалы церамид-1-фосфорилэтаноламин, церамид-1-фосфорилинози-тол және церамид-1-фосфорилглицерол.

Гликоглицеролипидтер

Бұл глицеролдың м-З-жағдайында гликозидті байланыс арқылы қосылған көміртегі бар полярлық липидтер, мысалы, галактоза. Гликоглицеролипидтер хлоропласт мембраналарында кеңінен ұсынылған,олар көк-жасыл балдырлар мен бактериялардағы елеулі мөлшерде табылған. Моногалактозилдиа-цилглицерол «табиғатта ең көп таралған полярлық липид» деп аталды, өйткені оның үлесіне хлоропласттардың тиракоид мембранасының барлық липидтерінің жартысы келеді. Грамоң бактериялардың мембраналары үшін гликоглицке тән-

қанттың алуан түрлілігі бар ролипидтер. Архебактериялар сондай-ақ құрамында липидтер бар, бірақ глицерофосфолипидтер жағдайында сияқты, олардың стереохимиялық конфигурациясы глицеролдың sn-l-жағдайында гликозидті байланыстың оқшаулануымен айналдырылған болып табылады. Жануарлар жасушаларының мембраналарында гликоглицеролипидтер сирек кездеседі.

Гликосфинголипидтер

көмірсулар бөлігінің мөлшеріне сәйкес жіктеледі, ол бір жағынан тек бір моносахарид қалдықтарымен және екінші жағынан өте күрделі көмірсулар полимерімен ұсынылуы мүмкін. Моногликозилцерамидтер әдетте цереброзид деп аталады. Ганглиозидтер церамидолигосахаридтің қант қалдықтарымен байланысты сиал қышқылының бір немесе бірнеше қалдықтары бар анионды гликосфинголипидтердің класы болып табылады. Глобозидтер теріс зарядталған сиал қышқылының қалдықтары жоқ бейтарап гликосфинголипидтер деп аталады.

Гликосфинголипидтер жануарлар жасушаларының плазмалық мембраналарының сыртқы бетінде болады; әдетте олар минорлық компоненттер болып табылады, бірақ кейде айтарлықтай мөлшерде болады. Моногалактозилцерамид-бұл жүйке талшығының миелинді қабығының негізгі компоненттерінің бірі. Кейбір жағдайларда гликосфинголипидтер плазмалық мембранада емес, жасушаішілік мембраналарда оқшауланады.

Эритроциттер мембраналарының гликосфинголипидтері қан тобының антигендерін көтереді. Адам аденокарциномасының жасушаларында осы жасушаларды анықтау және ісіктің дамуын бақылау үшін пайдалануға болатын ерекше фукозилденген гликосфинголипидтер жинақталады.

Стеролдар

Бұл липидтер көптеген өсімдіктер, жануарлар және микробтар мембраналарында бар. Шамасы, сте-ролдердің ең көп тараған холестерол. Оның молекуласы жинақы, қатты гидрофобты ядролардан тұрады, ал полярлы бастиегі гидро-ксиль тобы болып табылады. Холестерол жасушалардың плазмалық мембраналарында, лизосомаларда, эндосомаларда және Гольджи аппаратының мембраналарында болады. Ол көптеген жануарлар жасушаларының плазмалық мембраналарында мембраналық липидтердің барлық массасының 30% — ын құрайды. Жоғары өсімдіктерде басқа стеролдар, көбінесе ситостерол және стигмастерол бар. Өсімдік стеролдарының с-24 жағдайында тағы бір бүйірлік тізбегі және/немесе С-22 жағдайында екі жақты байланысы бар. Ашытқы мен дру мембраналарында-

Мембраналардың биологиялық құрылысы мен құрамы эукариотикалық микроорганизмдер жиі эргостерол бар. Стерол тектес липидтердің класына бактериялар мен кейбір өсімдіктерде табылған гопанои-далар да жатады.

Минорлы компоненттер

Мембраналарда сондай-ақ басқа да липидтер бар, оларды мембранадағы олардың аз құрамы салдарынан минорлық компоненттер қатарына жатқызуға болады. Осылайша, мембраналарда әдетте өте аз мөлшерде болса да, еркін май қышқылдары мен лизофосфолипидтер кездеседі. Мүмкін, бұл ережеден басқа хромаффинді түйіршіктердің мембраналары болып табылады, ол ерекше көп бос май қышқылдары бар. Мембраналардың минорлы компоненттері моноацил-және диацилглице-ролдер болып табылады. Диацилглицеролдар жасушаларды биологиялық белсенді заттардың қатар активтендіру кезінде сигнал беру кезінде екінші делдалдардың маңызды қызметін атқарады. Бұл сыртқы стимулға жасушалық жауап жүйесі 9-тарауында егжей-тегжейлі қарастырылады. Мембраналарда әдетте полиизопреноидты липидтер бар. Оларға уби-хинондар және менахинондар — мембраналардағы электрондық көлік тізбегінің компоненттері жатады. Гольджи эукариот аппаратындағы гликопротеиндердің биосинтезінде және прокариоттардағы жасуша қабырғасының биосинтезінде аралық өнімдердің липидті тасымалдаушылары болып табылатын ундекапренол мен долихолды да атап өтуге болады. Бұл липидтердің молекулаларының ұзындығы қышқылдың қалыңдығынан едәуір асып түседі, сондықтан бұл молекулалардың онда қалай орналасқаны белгісіз. Липидті тасымалдаушылар неге полиизопреноидты құрылымдар қызмет етеді.

2. МЕМБРАНАЛЫҚ ЛИПИДТЕР ФУНКЦИЯЛАРЫНЫҢ АЛУАН ТҮРЛІЛІГІ

Әртүрлі мембраналардың липидті құрамы кездейсоқ емес, бірақ бұл феноменге қанағаттанарлық түсінік табылмады. Кез келген нақты мембрана липидті молекулалардың жүзден астам түрлі түрлерін қамтуы мүмкін. Неге олар көп және неге әрбір мембрананың бірегей липидті құрамы бар? Мембраналық липидтердің биосинтезі жолдары және оларды белгіленген жерлерге жеткізу механизмдері разд талқыланады. 10.4. Липидтер мембраналарда өтетін процестерге белсенді қатысады, бірақ олардың әртүрлілік себептері түсініксіз. Мембрананың липидті құрамын анықтайтын кейбір факторларды қарастырайық.

1. Липидтердің қоспасы ақуыздар жұмыс істей алатын тұрақты қышқылмен түзілуі тиіс.

2.Кейбір липидтер мембрананың қатты қисық учаскелерін тұрақтандыруға, мембраналар арасындағы байланыстың түзілуіне немесе белгілі бір ақуыздардың байланыстырылуына ықпал етеді,өйткені осы молекулалардың пішіні мембрананың тиісті учаскелерінде қышқылдың қажетті қаптамасына қолайлы.

3.Кейбір липидтер маңызды биореттегіштер болып табылады. Бұл ретте эукариот жасушаларының плазмалық мембраналарындағы фосфатидилинозитол туындысының реттеуіш рөлі зерттелген.

4.Кейбір липидтер биосинтез реакцияларына қатысады. Мысалы, Е. coli жасушаларында фосфатидилглицерол жеткізеді глицерофосфатный фрагменті кезінде биосинтезе периплазматических олигосахари-дов.

5.Кейбір липидтер бірқатар ферменттердің оңтайлы белсенділігін қолдау үшін қажет. Бұл мәселе 6-тарауда қаралады.

6.Ганглиозидтер жасушалардың өсуін реттеуде маңызды рөл атқарады, плазмалық мембранада ерекше рецепторлар болып табылады және жасушалық адгезияға жауапты.

Эксперименталды көрсетілгеніндей, организмдер жиі төзе алады — және де ешқандай салдарсыз — мембраналардың липидті құрамының елеулі өзгерістері. Мысалы, генетикалық трансформацияның көмегімен мембраналарда әдетте жабайы типті штаммдарда жоқ 34% фосфатид қышқылы бар Е. coli штаммдарын алуға болады. Әлбетте, жабайы типті штаммдарға тән липидтік құрамы зертханада оларды өсіру жағдайында кем дегенде жасушалардың өмір сүру үшін міндетті емес.

3. МЕМБРАНАЛЫҚ АҚУЫЗДАР

Көрсетілгендей кесте. 1.3 және 1.4, мембраналарда 20-дан 80% ақуыз бар. Әдетте, мембраналардың функционалдық белсенділігі үшін белоктар жауапты. Оларға әр түрлі ферменттер, көлік ақуыздары, рецепторлар, арналар, тесіктер және т. б. жатады. Мембраналық ақуыздарды зерттеудегі алғашқы табыстарға биохимиктер мембраналық ақуыздарды функционалдық белсенді түрде бөлу үшін детергенттерді пайдалануды үйренген кезде қол жеткізілді. Бұл митохондрияның ішкі мембранасының ферменттік кешендерін зерттеу жұмыстары болды. Мембраналық белоктардың Дэвсон-Даниелли—Робертсон «Элементарлық мембрананың» моделінде болжанғандай, тек қана /3—қатпарлы құрылым емес, а-спиральдер көп екенін ұғыну Алға маңызды қадам болды. Сондай-ақ, мембраналық ақуыздар липидті қышқылға терең еніп немесе тіпті оны өткізе алады және олардың тұрақтануы гидрофобтық өзара іс-қимыл есебінен жүзеге асырылады деген қорытынды маңызды болды. Бұл термодинамикалық көріністер ақуыздардың құрылымын түсіндіру үшін ұсынылған және белок глобуласының ішінде толық емес, гидрофобты аймақтың және су ортасымен жанасатын полярлық, гидрофильді учаскелердің болуын болжаған «гидрофобтық күштер» принципін байытады.

Тазалау әдістерінің жетілдірілуіне қарай оқшауланған түрде мембраналық ақуыздардың көп санын алуға мүмкіндік туды. Олардың көпшілігінің бастапқы құрылымын анықтау ақуыздардың өздерінде, сондай-ақ олардан алынатын гидрофобты пептидтердің суда ерігіштігі нашар болғандықтан қиын болды. Бұл мәселе екі мембраналық белоктар — гликофорин және bs цитохромы үшін шешілді. Гликофорин — эритроциттер мембранасынан алынған сиалогликопротеин аминқышқыл тізбектерінде — 23 жартылай емес амин қышқылдарынан тұратын және тізбектің ортасында орналасқан қысқа учаске табылды. Бұл топологиялық және басқа да зерттеулер гликофорин молекуласы мембрана толығымен өтеді, бұл ретте мембранға батырылған гидрофобтық учаскеде а-спиральды конфигурациясы бар. Жаңа өмірге енді мембраналық белоктарда мембранаға кіретін а-спиральді домендердің болуы туралы жалпыға танылған тұжырымдама енді. Бұл тұжырымдама қазіргі уақытта барынша рұқсат алуға мүмкіндік беретін әдістер арқылы трансмембранды ақуыздарды зерттеу кезінде толығымен расталды. Halobacterium halobium пурпуралық мембранадан жасалған Бактериодопсин препараттарының электронды-микроскопиялық бейнелерін қайта құру нәтижелері бойынша және бактериялардың фотосинтетикалық реакциялық орталықтарын рентгенқұрылымдық зерттеу деректері бойынша бұл ақуыздарда бнсламен біртіндеп кесіп өтетін бірнеше а-спиральді учаскелер бар.

Мембранадағы полипептидті тізбектің орналасуының басқа нұсқасы BI микросомдық цитохромының интактілі формасының аминқышқылдық жүйелілігін зерттеу кезінде табылды. Бұл ақуыздың құрамында гидрофобты амин қышқылдарынан тұратын карбоксильді ұшының маңында салыстырмалы қысқа учаске бар екендігі көрсетілді. Бұл» гидрофобтық зәкірді » протеолиз арқылы жоюға болады, және де гемсвязывающий домен суда еритін түрде босады. Мембранада орналасқан гидрофобты домен немесе «Зәкір» мембраналық ақуыздардың құрылымының тағы бір өзіндік элементі болды.

Мембраналық ақуыздардың құрылымы туралы қазіргі заманғы түсініктердің негізінде олардың полипептидті тізбек липидті қышқылдың толық емес облысымен жанасатын толық емес, гидрофобты бет түзілетіндей етіп қаланған деген идея жатыр. Ақуыз молекуласының полярлық немесе зарядталған домендері қышқылдың бетінде липидтердің полярлық бастарымен вазимодей алады. Көптеген мембраналық ақуыздар трансмембранды және қышқылға енеді. Кейбір ақуыздар мембранамен тек олардың басқа ақуыздармен өзара әрекеттесуі есебінен ғана байланысты.

Мембраналық белоктар әдетте мембранамен гидрофобты немесе электростатикалық күштер арқылы байланыстырылады. Дегенмен, ковалентті липидтермен байланысты мембраналық ақуыздар бар. Мұндай мысалдар әлі аз, бірақ олар көп. Өсімдік және жануарлар жасушаларының плазмалық мембраналарының көптеген ақуыздары гликопротеиндер класына жатады. Бұл ақуыздардың көмірсулар қалдықтары әрқашан плазмалық мембрананың сыртқы жағында болады.

Әдетте мембраналық ақуыздар сыртқы және ішкі болып бөлінеді. Бұл ретте критерий мембранадан осы ақуыздарды алу үшін қажетті өңдеу қаттылығының дәрежесі болып табылады. Перифериялық белоктар мембраналарды төменгі иондық күші бар буферлік ерітінділермен, төмен немесе керісінше, рН жоғары мәні бар буферлік ерітінділермен жуу кезінде және екі валентті катиондарды байланыстыратын хелатациялаушы агенттердің қатысуымен босатылады. Мұндай белоктар липидті молекулалардың полярлық бастарымен немесе басқа белоктардың молекулаларымен әлсіз электростатикалық өзара әрекеттесулер есебінен мембрананың бетіне байланысты. Жиі перифериялық мембраналық ақуыздарды бөлу процесінде мембранамен байланысқан ақуыздардан ажырату оңай емес. Мембраналық препаратты төменгі иондық күші бар буфермен өңдеген кезде ерітіндіге эритроциттер мембранасымен байланысты ақуыздардың 30% — ға жуығы ауысады. Хаотропты агенттермен бірнеше қатты өңдеу кезінде перифериялық ақуыздар босатылады. Бірқатар жағдайларда бұл агенттер ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін бұзу үшін жеткілікті күшті әсер етеді, бірақ ақуыз денатурациясы болмайды. «Су құрылымын бұзатын» хаотропты агенттердің әсері негізінен мембрананың компоненттерінің арасындағы гидрофобтық өзара әрекеттесулердің әлсіреуіне байланысты.