Глава IV.7.

 

Биологические мембраны

 

Клеточная мембрана - это неотъемлемый компонент любой клетки. Ее роль в первую очередь состоит в том, чтобы отграничить внутреннее пространство клетки от внешней среды, а у эукариот, кроме того, разделить внутреннюю часть клетки на функционально значимые отсеки: ядро и митохонодрии. Во внешней клеточной мембране (цитолеме) функционируют транспортные белки, рецепторы. Структурной основой всех мембран являются липиды, в частности фосфолипиды, представленные двумя соединениями фосфодиацилглициринами и сфингомиелинами.

 

Фосфотидилглицерин - наиболее распространенный представитель фосфолипидов он присутствует в мембранах всех живых организмов и является производным фосфатидной кислоты. В основном это кислоты с длиной углеродной цепи 12-24 атома, либо полностью насыщенные либо имеющие одну или несколько несопряженных двойных связей. В структуре фосфолипидов заложена важная функциональная особенность: содержание длинной гидрофобной цепи и гидрофильной "головки" из фосфатидной кислоты.

 

Сфингомиелины являются производными аминоспирта сфингозина. Они характерны только для мембран животных клеток.

Наряду с этими компонентами мембраны содержат белки и связанные с ними углеводы.

 

Мембраны представляют собой плоские образования толщиной в несколько молекул (60-100 Å). Основу составляет липидный бислой, где гидрофильные головки обращены к воде внутри и снаружи клетки, а гидрофобные хвосты из жирных кислот как бы выталкиваются из воды и сливаются между собой  внутри мембраны (рис. 4.7.1.). Отдельные участки мембраны, липиды которых содержат больше насыщенных ЖК находятся в жестком состоянии, другие, где содержится больше ненасыщенных ЖК, в более расплавленном.  Между ацилными цепями липидного бислоя содержится холестерол, он препятствует их кристаллизации, т.е. поддерживает состояние текучести.

 

Мембрана не статическое образование, а благодаря жидкокристаллической структуре она является двухслойным раствором, в котором липиды способны диффундировать как параллельно поверхности мембраны, так и из одного монослоя в другой.

 

В структуру мембран обязательно входят белки и их состав варьирует в зависимости от функции той или иной мембраны. В зависимости от прочности связи с мембраной различают периферические и интегральные белки. Интегральные белки располагаются между липидами монослоя или пронизывают весь бислой, часто возвышаясь над поверхностью мембраны. Периферические белки связаны с мембранами электростатическими и водородными связями и часто взаимодействуют таким образом с интегральными белками (рис. 4.7.1.).

 

Белки выполняют следующие функции:

1)      транспорт (трансмембранный перенос веществ);

2)      преобразование энергии (ферменты дыхательной цепи);

3)      коммуникативную (рецепторные белки связывают клетку с окружающей средой);

4)      и ряд специфических функций.

 

Трансмембранный транспорт веществ

 

Липидный бислой практически непроницаем для ионов и большинства полярных молекул. Исключение составляет вода. Перенос веществ через клеточную мембрану осуществляется одним из трех путей: простой диффузией, облегченным и активным транспортом.

 

Простая диффузия осуществляется за счет теплового движения молекул из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией. Разность концентраций по обе стороны мембраны называется градиентом концентраций. При переносе заряженных частиц важную роль играет разница потенциалов. Обычно внутри клетки накапливаются отрицательно заряженные частицы. Таким путем транспортируются: Н₂О, СО₂, О₂. Перенос веществ простой диффузией прекращается когда концентрация вещества с одной и с другой стороны мембраны выравнивается.

 

Облегченная диффузия более распространенный способ транспорта веществ через мембрану. Здесь принимают участие специальные белки-переносчики. К ним относятся ферменты транслоказы и пермиазы. Они связывают своим активным центром вещество с одной стороны мембраны и переносят его сквозь гидрофобный слой мембраны на ее другую поверхность. Еще один вариант такой диффузии: после присоединения транспортируемого вещества меняется конформация белка-переносчика и в мембране открывается специальный гидрофильный канал, по которому и проникает вещество.

 

Активный транспорт - это транспорт против градиента концентраций и происходит при затрате энергии. Если источник энергии АТФ, то это первично-активный транспорт, если энергия получается за счет переноса в этот момент другого вещества по градиенту концентраций - это вторично-активный транспорт.

 

Типичный первично-активный транспорт это калий-нартиевый  насос. Он локализован в плазматической мембране практически всех клеток и переносит ионы калия и натрия против градиента концентраций с использованием энергии АТФ (рис. 4.7.2.).

 

Собственно насос это фермент Na⁺-K⁺-АТФ-аза, интегральный белок пронизывающий липидный бислой мембраны насквозь. Внутри клетки к активному центру этого фермента присоединяется 3 иона Nа⁺, при этом фермент активируется и расщепляет АТФ на АДФ и остаток фосфорной кислоты. Этот остаток присоединяется к самому ферменту и изменяет его пространственную конформацию. При этом с внутренней стороны мембраны закрывается ионный канал, но открывается на наружной поверхности. Ионы Na⁺ отсоединяются от фермента, но в это же время к другому активному центру  фермента присоединяются 2 иона К⁺. Это вновь изменяет его пространственную конформацию, отщепляется остаток фосфорной кислоты и открывается канал для проникновения К⁺ внутрь клетки. Далее цикл повторяется. Т.о. при выносе из клетки 3 ионов Na⁺ в нее проникает 2 иона К⁺. Это ведет к появлению электрического потенциала, который называется трансмембранным электрохимическим потенциалом. Если насос прекратит работу, то ионы Na⁺ и К⁺ начнут перемещаться в обратном направлении. По такому же механизму транспротируются ионы Са²⁺ (фермент Са²⁺-АТФ-аза).

 

 

Перекисное окисление липидов мембран

 

Перекисное окисление липидов является свободнорадикальным процессом, инициация которого происходит под действием активных форм кислорода. К ним относятся супероксид-ион О₂^-, пероксид-ион О₂^2-  (из Н₂О₂), гидроксильный радикал НО*, гидропероксидный радикал НОO* .Они образуются в результате процессов окисления протекающих в клетке при участии железо-содержащих ферментов (цитохромов).

 

Свободные радикалы это частицы с неспаренными электронами на внешних орбиталях

 

 

 

 

Механизм инициации ПОЛ

 

1) R - CH - …   + OH*    = R - C* -  или (R*) свободный радикал высшей жирной кислоты (ВЖК);

 

2) R* + O₂   =  R - O - O* пероксидный ион ВЖК;

 

3) R - O - O*  + R-СH    = R - O - OH (гидроперкеись ВЖК) + R*.

Реакции 2 и 3 теперь могут идти без активных форм кислорода они превращаются в цепные.

 

Продукты перекисного окисления липидов:

 

R* свободный радикал ВЖК,

R-О-О* пероксидион ВЖК,

R-О-ОH гидроперекись ВЖК,

НС=О - СН₂ - С=ОН малоновый диальдегид,

R-CH = CH - CН₂ - СН = СН₂ диеновые коннъюгаты.

 

Активация процессов ПОЛ, независимо от факторов индукции, может вести к деструктивным изменениям в клетках, что связано с накоплением продуктов, способных инактивировать мембранные ферменты, нарушать белок-липидные взаимодействия в мембранах, образовывать межмолекулярные сшивки,  изменять вязкость липидной фракции, что препятствует образованию фермент-субстратного комплекса.

 

Но, несмотря на вышеперечисленные патологические процессы, важно отметить, что ПОЛ это физиологический процесс и он имеет важное значение для организма. Уровень продукции ПОЛ в норме контролируется рядом антиоксидантных веществ и ферментов. К ним относятся витамины: Е, С, бета-каротин, убихинон (коэнзим Q) и антиоксидантные гем-содержащие ферменты супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза. Высокая активность ПОЛ может привести к подавлению активности антиоксидантных ферментов. В этом случае в клетках развиваются вышеописанные процессы, которые с клеточных мембран переходят на цитоплазматические структуры. Это приводит к денатурации клеточных белков, снижению активности ряда ключевых метаболических ферментов и повреждению клеточного генома. Такое явления носит название окислительный стресс. Все это заканчивается гибелью клетки по пути некроза (разрушения клеточных структур) или апоптоза (запрограммированного суицида).

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ  IV.7.

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;

3. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

4. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с;

5. Gutteridge J.V.C., Halliwell B. The  measurement and mechanism of lipid peroxidation in biological systems // Trends in Biochem. Sci., 1990, р. 129-135.