ЛНП
ЛВП
ФХ
76,2 ± 1,6
77,1 ± 2,1
66,0 ± 0,2
79,2 ± 2,91
67,3 ± 3,8
СМ
13,1 ± 0,4
16,2 ± 0,1*
29,2 ± 0,6
13,5 ± 0,21
15,6 ± 0,1
ФЭ
4,7 ± 0,2
3,6 ± 0,4
4,8 ± 0,2**
2,3 ± 2,19
—
ФС
0,13 ± 0,03
0,7 ± 0,1
—
0,06 ± 0,02***
—
ФИ
0,41 ± 0,04
0,4 ± 0,1
—
2,81 ± 0,04
—
ЛизоФХ
3,2 ± 0,1
2,1 ± 0,1
—
0,14 ± 0,08
—
КЛ + ФГ
0,42 ± 0,04
0,77 ± 0,08
—
0,4 ± 0,06***
—
Примечание
* Значение РЛНП достоверно по отношению к РЛОНП и РЛВП (Subbaich P.V., 1997). ** Данные для ФЭ приведены вместе с таковыми для плазмалогеном. *** Данные для ФС приведены по работе H. Deguchi е! al., 2000. — Измерения не проводились.
Между тем, стойкие различия по составу фосфолипидов в липопротеинах плазмы крови определить не всегда возможно по причине постоянно идущих в кровяном русле процессов их преобразования, транспорта (перехода) индивидуальных апопротеинов и липидов с участием фосфолипид-транспортного белка и непрерывного обмена фосфолипидов между липопротеинами и мембранами клеток.
К редким примерам генетических нарушений состава липопротеинов плазмы крови относятся два заболевания.
• Абеталипопротеинемия. Ген локализован в коротком плече хромосомы 2 (2р24). Болезнь характеризуется отсутствием транспорта триглицеридов из тонкого кишечника и печени. В результате развивается дефицит ЛНП.
• Семейная форма болезни танжьерских островов. Характеризуется дефицитом ЛПВ.
Жирные кислоты клеточных мембран
Жирные кислоты клеточных мембран — это цепи длинных молекул, содержащих от 10-12 до 26-28 атомов углерода. Они соединены с аминоспиртом с помощью карбоксильной (СО) и гидроксильной (НО) групп. Всего насчитывается около 800 типов жирных кислот. Однако в составе природных липидов всех тканей их количество не превышает 20, а фактически встречаются только 10-12 типов.
Например, в мембранах человека выделены не менее 10 типов ФХ, включающего разные жирнокислотные остатки: пальмитиновый, арахидоновый, линолевый, стеариновый и др.
Выделяют ненасыщенные, насыщенные и полинасыщенные жирные кислоты (ПНЖК). Они присутствуют в каждой мембране или липопротеине.
Показателем ненасыщенности молекул жирных кислот является наличие в их структуре двух двойных связей и более (таких кислот больше 50\%). От этого показателя зависят положение, поведение и свойства фосфолипидов в мембране. В ходе метаболизма в молекулу жирных кислот могут быть введены либо дополнительные двойные связи (с помощью фермента — десатуразы), либо может быть увеличена длина углеводородного скелета на 2 атома углерода (благодаря ферменту — элонгазе).
К основным ненасыщенным жирным кислотам (моноеновым) в фосфолипидах относятся олеиновая и в меньшем объеме — пальмитолеиновая кислоты.
Основные насыщенные жирные кислоты — это пальмитиновая и стеариновая; редко встречаются миристиновая, каприловая и лигноцериновая.
Все клетки способны синтезировать основные насыщенные жирные кислоты de novo.
Полинасыщанные жирные кислоты (ПНЖК) в природе, как правило, встречаются в виде линолевой, альфа-линоленовой и докозагексаеновой кислот. Причем первые две кислоты совместно с арахидоновой кислотой — это эссенциальные жирные кислоты, которые поддерживают жидкостность и проницаемость мембран. По мере увеличения массы тела в мембранах клеток сердца, мышц, печени и почек снижается содержание ПНЖК (особенно докозагексаеновой кислоты), что отражает степень метаболической активности этих клеток.
Существует определенная избирательность в предпочтении отдельных жирных кислот отдельными фосфолипидами, например, для ФИ, ФХ и ФС — это пальмитиновая, для СМ — докозагексаеновая, для ФС и КЛ — линоленовая, для ФИ — арахидоновая. Такая избирательность связана с их участием в разных метаболических процессах. Например, сочетание пальмитиновой и олеиновой кислот характерно для ФХ (21\% всего состава), тогда как в молекулах ФЭ, ФИ и ФС у тромбоцитов они не встречаются. Сочетание арахидоновой и стеари-
новой кислот преобладает в молекулах ФЭ и ФИ (до 71\%).
Арахидоновая кислота служит источником тромбоксана и неравномерно распределена между ФЛ, что говорит о селективности на начальном этапе образования тромбоксана и простагландинов (в первую очередь гидролизуются ФЭ и ФИ).
Мембранные белки
Если образно представить структуру липидного бислоя мембраны как «море липидов», то плавающие в нем белки — это «айсберги». Их называют интегральными белками , они частично погружены в мембрану или пронизывают ее насквозь (см. рис. 28). У такого белка один конец полипептидной цепи гидрофобный («боится» воды), другой — гидрофильный (взаимодействует с водой), т.е. это амфипатичные белки. При этом последовательности гидрофобных остатков аминокислот формируют сами пронизывающие мембрану структуры, а последовательности гидрофильных остатков аминокислот образуют функциональные домены по обе стороны мембраны, создавая не строго фиксированную мозаичную структуру, а своеобразные кластеры (семейства) из участков поверхностного монослоя.
С интегральными белками связаны реакция клетки на внешние и внутренние воздействия, а также регуляция потоков ионов через мембрану извне и внутрь клетки. Причем для транспорта определенных ионов существует свой определенный белок.
Имеются также ассоциированные с мембранами глобулярные белки. Они расположены либо на полярной поверхности мембраны, либо частично погружены в ее внутренний слой с обеих сторон. Такие белки удерживаются на поверхности мембраны с помощью нековалентных связей, и поэтому их нередко называют периферическими белками.
В целом среди белковых компонентов мембраны выделены белкитранспортеры, белки-рецепторы и белки-регуляторы. Например, в последнем случае это регуляторы синтеза, состава и расположения индивидуальных фосфолипидов, регуляторы (с помощью фосфорилазы А) деацилирования (ремоделирования) и трансбислойного перемещения отдельных молекул фосфолипидов (механизм «флипфлоп», или перемещение между наружным и внутренним монослоями мембран).
Все встроенные в мембрану белки придают ей функциональную гибкость и способность участвовать в различных клеточных эффектах. Кроме встраивающихся, выделены белки, которые в мембрану не
встраиваются, а удерживаются на ее поверхности за счет слабых связей и взаимодействий, благодаря так называемому заякориванию.
Особый класс белков — это адгезионные белки: кадхенрин, тканеспецифические белки, обеспечивающие объединение однотипных клеток в ткани, например молекулы NSAMS или соединительные белки нервных клеток.
Другие компоненты клеточных мембран
Наряду с липидами и белками существуют следующие компоненты клеточных мембран.
Гликопротеины. К выступающей над клеточной мембраной части молекулы белка присоединяются короткие или иногда разветвленные цепочки сахаров. На их концах находятся молекулы сиаловой (нейраминовой) кислоты — именно такой комплекс регулирует прохождение потоков ионов через мембрану.
Этот комплекс или гликопротеидный рецептор (см. ниже) обладает сродством к лигандам и поэтому способен их распознавать. К ним относятся: антигены, медиаторы, рецепторы других клеток, бактерии, вирусы и прочие чужеродные вещества.
Гликолипиды. Это производные церамида (близки по форме к ацилглицерину), лишенные фосфорильных групп, но содержащие углеводные компоненты. Поэтому их также называют гликосфинголипидами. Состав мембранных гликолипидов или гликолипидных рецепторов (см. ниже) представлен остатками жирных кислот, образующих их гидрофобный хвост.
Холестерин. Холестерин необходим как для пролиферации (см. главу 9), так и для функционирования клеток.
Конфигурация молекулы холестерина позволяет ему включаться в состав мембран, так как он представляет собой вытянутую молекулу с жестким стероидным ядром и гибкой углеводной цепью. Эта молекула амфипатична. На одном из концов молекулы холестерина находится полярная гидроксильная группа (НО), которая встраивается между молекулами липидов в зоне полярных головок мембранного бислоя.
В жидкокристаллическом состоянии холестерин повышает степень упорядоченной ориентации и снижает скорость движения углеводородных цепей фосфолипидов. Благодаря этому он активно участвует в «текучести» мембраны, препятствуя плотной упаковке углеводородных цепей и снижая температуру плавления липидов. Внешне это выглядит как «расплывание области фазового перехода»
(см. выше). Без холестерина фазовый переход происходит в узком температурном интервале.
Содержание холестерина в клеточных мембранах колеблется. Например, мембрана эритроцита содержит 25\% холестерина, но его крайне мало в мембранах митохондрий и вообще нет в бактериальных мембранах.
Изменение биосинтеза холестерина — это самостоятельный путь регуляции физического состояния мембран. Он опосредован высвобождающимся из ЭР транскрипционным фактором (SREBP). Выход этого фактора блокируется холестерином, а при дефиците холестерина «блок» снимается и включается процесс транскрипции оксиметилглютарил-СоА-редуктазы. Важность участия холестерина в обменных процессах в организме можно проследить на примере морфологических, молекулярных (генетических) и популяционногенетических доказательств. Например, хорошо изучен механизм проникновения ЛНП в сосудистую стенку путем пиноцитоза или через межэпителиальные щели с последующей сорбцией холестерина гликозоаминогликанами, отложением в виде атеросклеротических пятен, полосок и бляшек и пролиферацией гладкомышечных клеток.
Показано также образование атеросклеротических бляшек в культуре клеток при добавлении в питательную среду бета-липопротеинов. К генетическим доказательствам относятся гомо- и гетерозиготные формы семейной гиперхолестеринемии (см. главу 22), при которых наблюдается высокое содержание холестерина в плазме крови.
По признанию специалистов, моногенно наследуемая семейная гиперхолестеринемия — это природная модель «галопирующего атеросклероза».
Наконец, к популяционным доказательствам значения холестерина относится наличие двух народностей (вегетарианцы в Новой Гвинее и мясоеды в Африке), не болеющих атеросклерозом, у которых уровень плазменного холестерина не превышает 5,2 ммоль/л.
Вместе с тем, у американских эмигрантов японского происхождения частота и тяжесть атеросклероза значительно выше, чем у японцев, проживающих на исторической родине, что связывают с диетическими различиями.
Принципиальными являются данные о возможности процесса регрессии атеросклероза при голодании организма, исключении атерогенной диеты и экстракции холестерина из плазмы крови
(гемосорбция). Эти данные были получены группой российских ученых, сформулировавших учение о холестеринозе и выделивших три периода в развитии клетки и организма, связанных с обменом холестерина.
• Первый период — это интенсивный рост и пролиферация клеток, сопровождающиеся высокой потребностью в холестерине, который идет в основном на строительство клеточных мембран (физиологическая или «оправданная», гиперхолестеринемия).
• Второй период — это самый длительный, наиболее активный период жизни организма (см. главу 11). В этом периоде, как правило, наблюдается устойчивое равновесие между поступлением (синтезом) и расходом холестерина, участвующего в процессах образования жирных кислот и стероидных гормонов, необходимых для поддержания активной физической и психической (трудовой и интеллектуальной) деятельности и репродуктивной функции.
• Третий период — это наступление инволюции клеток и организма, когда функции второго периода постепенно утрачиваются и происходит медленное накопление холестерина в плазматических мембранах сначала в отдельных клеточных ассоциациях, затем отдельных органах и целом организме.
Вода (см. также начало главы 7). Роль воды как компонента клеточных мембран заключается в ее способности к удержанию на поверхности мембран, что обеспечивается с помощью водородных связей, возникающих между полярными головками фосфолипидов и молекулами воды, — это стабилизирует бислой, покрывающий снаружи молекулы фосфолипидов и белков.
Функции клеточных мембран
Клеточные мембраны обеспечивают не менее 12 клеточных функций. Среди них следующие.
• Определение границ компартментов цитоплазмы (отграничение их от окружающей внутриклеточной среды), что позволяет им сохранять автономность внутреннего устройства клетки и независимость работы ее многочисленных функциональных систем, изолированно осуществлять и регулировать реакции метаболизма. При этом внутриклеточные ферменты либо катализируют трансмембранные реакции, либо участвуют в реакциях на поверхности наружной мембраны, обеспечивая их избирательность и эффективность.
• Поддержание высоких концентраций (градиентов) необходимых химических соединений и ограничение поступления чужеродных соединений, что обеспечивает необходимый электрический потенциал и позволяет запасать энергию в отдельных органеллах и клетке в целом. Например, мембрана как барьер препятствует утечке из клетки компонентов цитоплазмы и сильно полярных молекул. Вместе с тем через мембрану как проводник легко диффундируют слабо полярные молекулы малого размера.
• Обеспечение активного и пассивного трансмембранного транспорта веществ и соединений с помощью транспортных белков и других молекул. Следует отметить, что только из уже перечисленных функций видно, что мембраны активно участвуют в обеспечении основных клеточных процессов, и в случае разрушения мембран может наступить гибель клеток.
• Определение природы всех внутренних и внешних связей клетки с помощью специфических рецепторных белков.
• Сохранение содержимого клетки и обеспечение межклеточного взаимодействия. Мембраны сохраняют молекулярное содержимое клетки и не позволяют ему свободно проходить через них.
• Объединение однотипных клеток в ткани с помощью мембранных белков — кадхенринов (см. выше), что обеспечивает участие клеток в тканеспецифической дифференцировке.
• Всасывание и последующий перенос компонентов биологического топлива (см. главу 7).
• Преобразование сигналов (рецепторная функция). Как известно, молекулярная жизнь — это непрерывные биохимические преобразования, в ходе которых клетки должны работать согласованно в соответствии с нуждами всего организма, о которых они узнают с помощью сигналов в виде поступающих к ним химических веществ (нейромедиаторы, гормоны, другие факторы). Одни сигналы проникают внутрь клетки, другие — нет. В любом случае, они связываются на поверхности клетки со специализированными белками-рецепторами, которые отвечают за прием и передачу сигналов, благодаря цепи последовательных реакций, происходящих внутри клетки. Именно это имеется в виду, когда говорят о клеточных мембранах как преобразователях сигналов.
• Участие в клеточном делении. Мембраны участвуют в делении благодаря возможности слияния и разделения липидных бислоев, чему способствуют появление и ликвидация перетяжек в ходе митоза.
• Участие в эндоцитозе, или процессе поглощения клеткой частиц или крупных молекул, которые не могут пройти через мембрану, и тогда вокруг них образуется вакуоль или пузырек (отщепившаяся часть плазматической мембраны).
• Участие в экзоцитозе или процессе перемещения вакуоли наружу клетки, выводящем ее содержимое во внеклеточную окружающую среду, например, секреция ферментов поджелудочной железы.
• Обеспечение работы натриево-калиевого насоса или Na+/ K+ — АТРазы. Этот насос выкачивает натрий и закачивает калий благодаря гидролизу АТР до АDР + Pj. Данный фермент имеет две субъединицы (альфа и бета), взаимодействующие с лигандами (см. главу 8). Изменения в натриево-калиевом насосе происходят при фосфорилировании белка, который изменяет свое сродство к ионам натрия и калия. При этом натрий связывается и выходит в межклеточное пространство. Одновременно на внешней поверхности мембраны связывается калий и также происходит фосфорилирование белка, которое возвращает его в первоначальное состояние, и поэтому ионы калия поступают в цитоплазму. Один цикл работы такого насоса сопровождается встречным переносом трех ионов Na+ (внутри) и двух ионов K+ (снаружи) + АТР + Н2О — три иона Na+ (снаружи) + два иона K+ (внутри) + АDР + Pj + H+. Следует отметить, что работа насоса угнетается сердечными гликозидами (например, наперстянкой), что увеличивает концентрацию ионов Na+ в миокардиоцитах и тем самым уменьшает его градиент, что ведет к увеличению содержания в цитоплазме ионов Са2+ и стимулирует сокращение сердечной мышцы.
• Обеспечение механизма унипорта или переноса любых растворимых веществ с одной стороны мембраны на другую. В таком переносе участвуют транспортные белки, например фермент
Са2+-АТРаза из ЭР.
• Участие в механизме симпорта или совместного переноса молекул через мембрану. Выделен специфический белок, отвечающий за симпорт ионов Na+ и глюкозы в строго эквимолярных количествах. В результате глюкоза движется внутрь клетки против своего концентрационного градиента за счет градиента ионов Na+. Так как градиент возникает за счет гидролиза АТР, то сам АТР косвенно служит движущей силой для транспорта глюкозы. Подобный механизм работает при всасывании аминокислот и глюкозы в кишечнике с использованием для симпорта других
• белков. Следует отметить, что белков для совместного переноса разных молекул через мембраны очень много. Их транспорт может быть пассивным, когда движущей силой служит градиент концентрации. Однако молекулы могут двигаться против собственного градиента (активный транспорт). Участие в механизме антипорта или жестко связанного противотока. Этот механизм характерен, например, для действия сердечных гликозидов, в ходе которого наружу выкачиваются ионы Са2+, а также молекулы, транспортируемые против собственного концентрационного градиента за счет энергии натриевого градиента, который, в свою очередь, создается благодаря гидролизу
АТР.
На рис. 31 приведено участие митохондриальной мембраны в механизмах антипорта и симпорта.
Клеточные рецепторы
Для приема сигналов в клетке имеются связанные с мембраной специфические структуры — рецепторы. Рецептор — это участок мембраны с олигосахаридной цепочкой. Если эта цепочка связана с молекулой мембранного белка, то это гликопротеидный рецептор, если с молекулой липида — гликолипидный рецептор.
Гликопротеидный рецептор — это молекула глобулярного или спирального белка, погруженная в оба слоя мембраны, поэтому рецептор может в ней «плавать», перемещаться и соединяться с другими рецепторами, образуя агрегаты, концентрирующиеся на одном из
Рис. 31. Участие митохондриальной мембраны в механизмах антипорта и симпорта (по Эллиот В., Эллиот Д., 2002)
полюсов клетки с образованием рецепторного поля — так называемый киппинг-эффект.
Гликолипидный рецептор (ганглиозид, сульфатид) связан с одним поверхностным слоем мембраны и замещает в нем одну молекулу фосфолипидов. Он может «сбрасываться» в межмембранное пространство, поступать в кровяное русло, а из него снова встраиваться в мембрану.
Молекулы ганглиозидов находятся в мембране в стационарном состоянии, но постоянно перестраиваются в зависимости от рецепторной функции, переходя из рецепторов одной формы в таковые другой формы. При этом олигосахаридная цепочка видоизменяется по составу, количеству и последовательности соединения сахаров — это система легких рецепторов. Их образование резко возрастает при дендритном спраунинге (см. главу 12). Наоборот, гликопротеидные рецепторы — это система тяжелых (тугоподвижных) рецепторов.
При внешней сигнализации существует определенная обратная зависимость между числом рецепторов на мембране и готовностью клетки к образованию межклеточных контактов, а также ее способностью к пролиферации: чем больше число рецепторов и межклеточных контактов, тем ниже потенциал пролиферации клеток (см. главу 8 и 25).
Следует отметить, что клетки злокачественных опухолей, обладающие высоким потенциалом пролиферации, «сбрасывают» свои рецепторы (ганглиозиды), уменьшая тем самым способность к контактам с другими клетками.
Вместе с тем, нейрон никогда не перерождается в злокачественную клетку, так как способен к образованию до 10 тыс. синаптических контактов.
В силу способности к растворению в воде большинство сигнальных молекул связываются только с внешними рецепторами. Их меньшая часть (стероидные гормоны, тироксин и оксид азота) растворяются в липидах и поэтому поступают прямо в клетку через липидный бислой мембраны, где связываются с внутренними рецепторами. Такая регуляция получила название рецептор-опосредованной сигнализации (см. главы 7, 8 и 11).
Межклеточные соединения
К межклеточным соединениям (промежуткам) относятся плотные белковые конструкции, состоящие из соединительной ткани. Они не пропускают через себя биологическое топливо, в них нет латеральных
движений белков. Зато есть особые щелевые контакты или контактные поры — это белки, способные пропускать молекулы АТР и сигнальные молекулы. В этих контактах также содержатся адгезионные белки, необходимые для объединения однотипных клеток в ткани.