ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ МЕМБРАННЫХ КОМПОНЕНТОВ И ИХ РОЛЬ В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ БИОМЕМБРАН

В природной мембране взаимосвязь белковой молекулы с ли­пидным бислоем определяется, по всей вероятности, балансом водородных связей, электростатических и ван-дер-ваальсовых вза­имодействий между липидом, водой и “соседними” белковыми молекулами.

Термин “пограничный липидный слой” был введен в связи с появлением и развитием концепции о существовании особого “стационарного” слоя липидов, связанного с поверхностью бел­ковой молекулы, в котором физико-химические параметры ли­пидов отличаются от таковых в основной части бислоя. Под “ста­ционарностью” понимают отсутствие липидного обмена за вре­мя, сравнимое с временем оборота фермента (=10~³ с). Погранич­ные липиды называют также аннуляркыжи.. В то же время нет убедительных экспериментальных доказательств различного по­ведения пограничных липидов и липидов основной части бислоя. Это связано с использованием разных методов исследования, для которых характерны неодинаковые временные интервалы изу­чения динамики липидных молекул.

В 70-е гг. первым исследованием упаковки липидов вблизи мембранного белка в небольших временных интервалах (< 10~⁸ с) было определение подвижности спин-меченной жирной кислоты в реконструированной системе цитохромоксидаза — эндогенные митохондриальные фосфолипиды методом ЭПР. В дальнейшем подобные эксперименты проводились с использованием цито- хромоксидазы и цитохрома b_s и липидных бислоев, содержащих грамицидин А, а также мембраны микросом печени крысы, эрит­роцитов, вирусов Синдбис и везикулярного стоматита. Было по­казано, что значительная часть липидов в этих мембранах иммо­билизована за счет белок-липидных взаимодействий. Количество иммобилизованных липидов при температурах 20—40 ’С состав­ляет примерно 0,2 мг на 1 мг белка (47 молекул фосфолипидов на белковый комплекс) цитохромоксидазы, что соответствует при­близительно одному слою липидов вокруг белковой глобулы.

Существование участков липидного бислоя (аннулы липидов) с более плотной упаковкой и меньшей подвижностью углеводо­родных цепей в модельных и природных биомембранах было по­казано также и с помощью других физико-химических методов (ЯМР, комбинационное рассеяние света, метод флуоресцентных зондов). Однако впоследствии концепция “пограничного липи­да” была подвергнута критике. Результаты, полученные с помо­щью метода ²Н-ЯМР, свидетельствуют о том, что пограничные липиды быстро обмениваются с основной массой липидов в бис­лое (скорость обмена весьма велика — 10’ с'¹). Кроме того, в присутствии белков упорядоченность связанных липидов (т.е. транс-гош-конформации ацильных цепей) почти не изменяется, а скорость переориентации углеводородных цепей слабо умень­шается (= на 20 %) в частотном диапазоне 10⁹ с"¹. По данным ЯМР, трансмембранные белки весьма незначительно влияют на ориентацию и динамику липидных молекул и их полярных го­ловок. Эти результаты были подтверждены и некоторыми дру­гими методами, например, инфракрасной спектрофотометрией с фурье-преобразованием.

Противоречивые данные получены также при исследовании избирательности связывания белков с различными фосфолипи­дами. Так, селективность взаимодействия фосфолипидов, несу­щих определенные полярные группы, была выявлена для родоп­сина, Na⁺, К⁺-АТФазы из Squalus acantus, цитохром-с-оксидазы, Са²⁺-АТФазы. Вместе с тем многочисленные эксперименты по ре­активации выделенных мембранных ферментов путем добавле­ния экзогенных липидов и детергентов показали, что в большин­стве случаев не существует специфических белок-липидных вза­имодействий, обеспечивающих ферментативную активность; раз­ные типы липидов могут одинаково влиять на функционирова­ние мембраносвязанных белков.

В последнее время внимание многих исследователей сосредо­точено на изучении связывания с липидным бислоем перифери­ческих мембранных белков. Ряд периферических белков взаи­модействует с мембраной путем связывания с интегральными бел­ками. В то же время значительное количество белков связывает­ся непосредственно с поверхностью липидного бислоя, причем некоторые из них способны к взаимодействию только в опреде­ленных условиях и на непродолжительное время. Иногда такое взаимодействие является необходимым условием проявления функциональной активности мембранного фермента (протеинки- наза С, пируватоксидаза, факторы свертывания крови).

По-видимому, типы взаимодействия между периферически­ми мембранными белками и фосфолипидным бислоем весьма разнообразны: связывание с участием амфифильных ot-спираль- ных участков, электростатических сил, гидрофобных взаимодей­ствий, ионов Са²⁺. Для изучения связывания периферических белков с фосфолипидами используют следующие методы: ЯМР, ИК-спектрофотометрию, люминесценцию, светорассеяние и др. В настоящее время активно исследуется роль процессов адсорб­ции и десорбции ферментов важнейших метаболических путей в регулировании их функциональной активности (раздел 2.3.2).

Белок-белковые взаимодействия в мембранах характеризуют­ся высокой специфичностью и проявляются в виде обратимой внутримембранной агрегации мембранных белков, которая со­провождается изменением функциональной активности всей си­стемы.

Степень агрегированности белков определяется несколькими факторами: энтропией смешивания “раствора” белков в липиде; прямыми белок-белковыми взаимодействиями, включающими ковалентные, водородные, солевые связи, электростатические и дисперсионные силы притяжения, способствующие в целом об­разованию белковых агрегатов; равновесием в системе погранич­ный липид — общая липидная фаза с учетом количества моле­кул пограничных (аннулярных) липидов. Процессы агрегации — дезагрегации мембранных белков проявляются при пиноцитозе, взаимодействии и слиянии мембран, на разных стадиях клеточ­ного цикла.

Необходимо подчеркнуть, что для интегральных белков мем­бран, по-видимому, характерно формирование иммобилизован­ного кольца (аннулы) пограничных липидов с нарушенной упа­ковкой ацильных цепей, контактирующих с гидрофобной час­тью молекулы белка. Однако комплекс белка с пограничным липидом представляет собой динамическое образование, вре­мя существования которого исчисляется микросекундами. Ли­пидное кольцо является более “твердым” по сравнению с ос­тальной частью бислоя, если последний находится в жидком состоянии, но более “жидкое”, если бислой находится в гелеоб­разном состоянии. По всей вероятности, состав и фазовое со­стояние (а именно жидкокристаллическое) липидов аннулы важны, прежде всего, для функционирования мембранных бел­ков-ферментов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.

2. Какие особенности структуры мембранных липидов обеспечива­ют выполнение ими различных функций?

3. Опишите основные свойства липидов биомембран и типы связей между ними.

4. Что представляют собой фазовое состояние и фазовые переходы липидов в мембране? Какие факторы влияют на фазовое состояние мем­бранных липидов?

5. Обоснуйте утверждение: “Фазовые переходы липидов обуслов­ливают функциональное состояние мембраны”.

6. Что такое аннулярные липиды, в чем состоят особенности их структурно-функционального состояния и значение для функциониро­вания мембран?

7. На какие группы подразделяют мембранные белки?

8. Каковы особенности строения молекул интегральных белков мем­бран в связи с выполняемыми ими функциями?

9. Что такое асимметрия компонентов мембран, каковы ее причины и значение для нормального функционирования биомембран?

10. Какова роль периферических белков в стабилизации биомемб­ран?

11. Какие функции выполняют мембранные АТФазы? Раскройте механизм функционирования Na⁺, К⁺-АТФазы плазматических мемб­ран.

12. Каковы особенности структуры мембранных углеводов в связи с выполняемыми ими функциями?

13. Что представляют собой белок-липидные взаимодействия в мем­бранах? Какие типы связей участвуют в их поддержании?

14. Используя материал главы 1 и приложения, опишите строение и функции эритроцитарных мембран.

15. Что понимают под терминами “кинки” и “динамические дефек­ты”, какова их роль в функционировании биомембран?

16. Используя материал глав 1 и 5 (раздел 5.1), опишите методы (с указанием их принципов, достоинств и недостатков), которые исполь­зуются для:

а) изучения белок-липидных взаимодействий в мембранах;

б) изучения фазовых переходов в липидном бислое;

в) исследования особенностей конформационного состояния мемб­ранных белков.

17. Какова роль мембранных липидов в осуществлении важнейших метаболических процессов в клетке?