Главная

Структура клеточной мембраны

Для понимания современных представлений об активации лимфоцита необходимо начать с описания клеточной мембраны. Непрерывная основа плазматической мембраны построена из молекул липидов. Даже в клетках, подобных лимфоцитам, где белки составляют существенную часть общей массы мембраны, они не образуют непрерывной фазы, а существуют в виде отдельных молекул, плавающих в море липидов.

Схематическое изображение мембраны лимфоцита

Показаны интегральные гликопротеины наружного слоя, способные служить рецепторами для антигенов и митогенов. Кроме того, с внутренней стороны мембраны показаны связующие белки, которые, вероятно, служат для соединения образовавшихся кластеров интегральных белков с микротрубочками (МТ) и актин- и миозинсодержащими сократительными микрофиламентами (МФ), участвующими в клеточном движении и кэппинге.

Основная часть липидов — это фосфолипиды, в которых к двум гидроксильным группам глицерола присоединены эфиры жирных кислот, а третья гидроксильная группа замещена фосфатом, связанным в свою очередь с еще одной группой, обычно холином, этаноламином или серином, Фосфолипиды в мембране образуют двойной слой, в котором углеводородные цепи жирных кислот, как и все другие молекулы, принимают конформацию, наиболее энергетически выгодную, располагаясь перпендикулярно мембранной поверхности и формируя гидрофобную, не доступную для воды и ионов внутреннюю среду мембраны, а заряженные фосфатные и холиновые группы располагаются на поверхности мембраны, где они взаимодействуют с водной средой снаружи или внутри клетки.

Некоторые боковые цепи в белках имеют заряженные или гидрофильные группы, тогда как боковые группы белков гидрофобны. Находясь в водном окружении, гидрофобные группы взаимодействуют друг с другом, пытаясь исключить воду из внутренней части белковой молекулы. В то же время заряженные илихпособные образовывать водородные связи боковые группы стремятся оказаться на наружной поверхности белка. Внутри мембраны, однако, гидрофобные боковые цепи аминокислотных остатков могут взаимодействовать с цепями жирных кислот. Все белки, ассоциированные с мембранами, можно разделить на два типа. Интегральные мембранные белки — это такие белки, которые нельзя отделить от мембраны, не разрушив их гидрофобных взаимодействий с липидами. Удаление таких белков из мембраны требует обработки детергентами или органическими растворителями. Если эти белки перевести из мембраны в водное окружение, то их конформация резко изменится, поскольку при таком переходе затрачивается энергия, необходимая для того, чтобы находящиеся в мембране части белковой молекулы вывернуть наизнанку. Периферические мембранные белки могут быть отделены от мембраны с помощью водных буферных растворов. Это типичные глобулярные белки с гидрофильными поверхностями. Они эффективно взаимодействуют с локализованными на поверхности двойного слоя заряженными и образующими водородные связи группами фосфолипидов и интегральных мембранных белков.

Описанная выше обобщенная модель мембраны была названа — по имени предложивших ее авторов — жидкостно-мозаичной моделью Зингера, Николсона и Посте. Некоторые положения этой модели дают представление о том, как функционирует мембрана лимфоцита. Во-первых, хотя в принципе не исключено, что какой-нибудь небольшой сильногидрофобный белок мог оказаться полностью окруженным мембраной и взаимодействовать только с липидом, однако подавляющая часть известных в настоящее время интегральных белков имеет наряду с гидрофобными и гидрофильные участки, в которых обычно обнаруживаются углеводы (т. е. интегральные белки представляют собой гликопротеины). Гидрофильные участки интегральных белков выступают с наружной (или внутренней) стороны мембраны. Чтобы перевернуть такой белок или погрузить его гидрофильные (в том числе углеводные) участки в липидную фазу, требуется значительная энергия. Поэтому интегральные белки сохраняют в мембране вертикальное положение, плавая в липидном «море» подобно поплавку. При этом белки могут довольно легко перемещаться в плоскости мембраны за счет латеральной диффузии, которая весьма велика по сравнению с диффузией белка такого же размера в водной среде, поскольку в воде диффузия идет в трех измерениях, тогда как в мембране — лишь в двух. Однако в мембране подвижность интегральных белков может быть ограничена из-за взаимодействий с другими мембранными белками.

Изучение взаимодействия между интегральными мембранными белками, несомненно, поможет понять, как связывание лигандов с молекулами рецепторов на клеточной поверхности может инициировать сигнал, приводящий в конце концов к активации клетки. Рассмотрим, например, поверхностный иммуноглобулин В-лимфоцита, представляющий собой интегральный мембранный глико-протеин. Мы могли бы предположить, что несколько молекул иммуноглобулинов сшиваются друг с другом антигеном и в таком виде оказываются способными взаимодействовать с каким-то другим интегральным мембранным белком. Это взаимодействие будет изменять конформацию этого последнего белка или его распределение на внутренней поверхности мембраны. В результате белок приобретет новые связывающие или ферментативные свойства, что приведет к запуску следующего этапа программы активации лимфоцита.

Наши исследования мембран лимфоцитов до сих пор носят описательный характер. Большинство из известных нам мембранных белков были идентифицированы и выделены по их антигенным свойствам. Антигенные детерминанты этих белков, будь то участки полипептидной цепи или углеводы, должны располагаться на наружной поверхности клетки и быть доступными для связывания с антителом. Разработка методов изучения структуры и молекулярных взаимодействий внутримембранных частей интегральных белков находится в зачаточном состоянии, однако для решения этих задач, по-видимому, можно использовать и уже существующие методы, такие, как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), называемый также иногда электронным спиновым резонансом, и ядерный магнитный резонанс (ЯМР).

При использовании метода ЭПР меченный по спину гидрофобный зонд, имеющий парамагнитные свойства из-за наличия неспаренного электрона, вводится внутрь мембраны.

Собственный магнитный момент неспаренного электрона (спин) прецессирует вокруг вектора прикладываемого магнитного поля подобно волчку с характерной частотой (в области сверхвысоких частот).

У других входящих в состав мембраны молекул этого не наблюдается, поскольку у них нет неспаренного электрона. Радиоволна, направленная перпендикулярно вектору магнитного поля, будет поглощаться спиновой меткой, если частота электромагнитных колебаний соответствует характерной частоте прецессии метки. Полоса поглощения окажется узкой, если возможен резонанс спиновой метки с электромагнитной волной (в жидкой фазе), но если метка жестко фиксирована за счет взаимодействия с соседними молекулами, так, что она не способна реагировать на магнитное поле, поглощения наблюдаться не будет. Вводя в мембраны спинмеченые молекулы (например, фосфолипиды), имеющие неспаренные электроны в различных положениях, можно, изучая ЭПР-спектры этих молекул, сделать выводы относительно степени текучести микроокружения мембранных фосфолипидов и об изменении этих свойств в результате внешних воздействий. В случае ЯМР, принципиально аналогичного ЭПР, резонансные сигналы поступают от ядер определенных атомов, таких, как 2Н, 13С, 14С, каждый из которых характеризуется определенной резонансной частотой. Эти сигналы будут относительно узкими, если молекулы, имеющие в своем составе данные атомы, способны свободно вращаться. Если молекулы жестко фиксированы в мембране, то сигналы от указанных ядер будут широкими или даже совсем исчезнут. Чтобы полностью расшифровать спектры ЯМР, полезно, кроме того, уметь идентифицировать источник сигналов, соответствующий каждому типу, что можно легко сделать с помощью модельных мембран с известным простым составом. Вопрос о том, как использовать ЯМР и ЭПР для получения точной информации о такой сложной многокомпонентной системе, как мембрана лимфоцита, требует еще дальнейшего изучения.

Copyright © 2011-2012