Липиды центральной нервной системы и структура клеточных мембран (стр. 3 из 9)
Необходимо отметить, что кроме сегрегирующего холестерин проявляет и другое важное влияние на структуру и физические свойства липидного бислоя. Встраивание холестерина в фосфолипидный бислой вызывает как нарушение квазикристаллической упаковки цепей, так и уменьшение подвижности цепей – Эти эффекты холестерина называют, соответственно, «разжижающим» и «конденсирующим». При температуре, превышающей точку фазового перехода фосфолипида, холестерин уменьшает подвижность углеводородных цепей. При добавлении холестерина площадь молекулы лецитина уменьшается с 0,96 до 0,56 нм. Вот почему высокое содержание холестерина характерно для миелина и плазматических мембран, тогда как внутриклеточные мембраны содержат его в небольших количествах. В плотных миелиновых мембранах фосфолипиды и холестерин содержатся в отношении 1:1, а в менее плотных мито-хондриальных мембранах это отношение равно 3:1 или 8:1. Этот уплотняющий эффект холестерина максимален в районе центрального участка жирнокислотных радикалов и ослабевает в направлении концевых метальных групп. При температуре ниже точки фазового перехода фосфолипидов холестерин разжижает углеводородную область бислоя.
Фазовые переходы липидов при постоянной температуре могут быть вызваны изменениями заряда полярных групп липидов, возникающими при изменениях рН, ионной силы, концентрации ионов. Доказано, что температура фазового перехода есть функция величина заряда и плотности заряда на липидной молекуле. Любое увеличение заряда полярных групп благоприятствует жидкому состоянию из-за латерального электростатического отталкивания, тогда как уменьшение заряда обусловливает переход в твердокристаллическое состояние.
Важным путем изменения поверхностного заряда липидов в физиологических условиях является адсорбция катионов. Связывание катионов заряженными липидами сильно зависит от поверхностного потенциала, значительно различающегося в твердом и жидком состояниях из-за различий в молекулярной упаковке.
Освобождение или адсорбция катионов на мембранной поверхности может запускать фазовые переходы липидов. При определенных физиологических условиях структурные изменения липидов могут вызывать освобождение двухвалентных катионов с поверхности мембраны. Так, при переходе гель – жидкий кристалл с липидной поверхности освобождаются ионы кальция. Са+ 'и Mg+ стабилизируют организованную структуру, увеличивая температуру фазового перехода, а одновалентные катионы оказывают противоположный эффект. Двухвалентные катионы благоприятствуют гелеобразному, а одновалентные – жидкому состоянию мембраны. Поверхность липидов может рассматриваться как резервуар катионов, который способен регулироваться структурными изменениями.
■ Подводя итог вышеизложенному, можно заключить, что в организации липидов, в их асимметричном размещении, подвижности, модификации внутримолекулярных взаимодействий сокрыты многообразные регулирующие возможности.
5. РОЛЬ БЕЛКОВ В ДИНАМИЧНОСТИ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ
Рассматривать динамичность бислоя мембраны без связи с белками нельзя. При липидных структурных перестройках в процесс вовлекаются интегральные, периферические и поверхностные белки мембраны. Более того, белки могут выступать в роли триггеров температурных структурных перестроек мембран, и белку часто принадлежит ведущая роль не только в инициации, но и в реализации структурной перестройки.
Одна из функций липидов в мембране – придание белкам через межмолекулярные взаимодействия оптимальной конформации для функциональной активности. Липиды могут непосредственно участвовать в катализе. Липидный бислой определяет размещение белков, создает условия для их латерального перемещения и через фазовые переходы выполняет регуляторные функции. Жидкостность липидов влияет как на вращательную, так и диффузную свободу интегральных белков и их способность подвергаться конформационным изменениям. Вращательная и латеральная диффузия белков является отчасти следствием латерального движения мембранных липидов. Широкий спектр липидных молекул делает возможным широкое разнообразие специфических взаимодействий с мембранными белками.
Внедрение белка в фосфолипидный бислой упорядочивает его – в результате структура бислоя становится более жесткой.
Считается, что это происходит за счет прилипания и ориентации фосфолипидных молекул, примыкающих к поверхности белка, ограничивающего подвижность этого слоя. У многих мембранных белков те их части, которые погружены в липид-ный бислой, особенно богаты гидрофобными аминокислотами, что повышает устойчивость их связей с липидами и фиксирует их ориентацию в мембране.
В бимолекулярном слое имеется два пула липидов, подвергающихся существенно различным скоростям диффузии. Один пул липидов находится в короткорадиусном взаимодействии с белками и потому подвергается ограниченной латеральной диффузии. Короткорадиусные взаимодействия могут быть очень специфичными и их может осуществлять только определенный тип липидов с особыми белками. Такие специфические липиды необходимы, в частности, для активации мембранных ферментов; они выступают здесь в качестве аллосте-рических эффекторов. Так, белковую молекулу Na+, К+-АТФа-зы окружает кольцевой слой липидов из 30–32 молекул. Применение разнообразных физических методов показало, что кольцевые липиды могут многократно обмениваться с общим липидным пулом мембраны. Время обмена таких прочно связанных липидов с соседними молекулами составляет 10~ – 10~ с. Это несоизмеримо меньше продолжительности одного ферментного цикла. Кроме того, оказалось, что сама фракция кольцевых липидов очень гетерогенна по своей обме-ниваемости, по фазовому состоянию и по способности к реактивации белка. Как минимум, роль кольцевых липидов заключается в поддержании строго определенного гидрофобного окружения данного белка.
В области температурных фазовых переходов таких липидов отмечается изменение каталитических и транспортных свойств белков. Общая доля кольцевых липидов довольно велика – около 20%. Доказано, что можно изменять активность мембранных белков изменением связанных с ними липидов.
Другой пул липидов, удаленных от белков и подвергающихся быстрой латеральной диффузии, характерной для билипидного слоя, не пронизанного белком, составляет около 80%. Действие этих липидов на мембранные белки аналогично растворяющему эффекту воды на свойства растворимого белка.
Приведем примеры функциональной роли индивидуальных липидов в мембранах ЦНС. В табл. 5 представлены данные о влиянии различных фосфолипидов на активность мембранных ферментов.
Активирование отдельными фосфолипидами мембранных ферментов
6. УЧАСТИЕ ЛИПИДОВ В РЕЦЕПЦИИ И ПЕРЕДАЧЕ ВНУТРЬ КЛЕТКИ СИГНАЛА
Межклеточные контакты, без которых немыслима деятельность ЦНС, обеспечивают постоянную передачу информации через плазматическую мембрану. Эта передача не может не касаться билипидного слоя. Процесс передачи информации через мембрану включает рецепцию внешнего химического сигнала и трансформацию его во внутриклеточный эффект.
Возникает вопрос, принимают ли участие липиды бислоя в рецепции внешних сигналов. В последнее десятилетие установлено, что сульфоиереброзиды играют довольно специфическую роль в рецепции опиоидов. Частично очищенный препарат рецептора опиоидов содержит высокую концентрацию сульфатидов. Предполагают, что сульфатная группа це-реброзидсульфата входит в состав или соседствует с активным центром опиатных рецепторов, который имеет белковую природу. Возможно, что взаимодействие опиатов с цереброзидсульфатами выполняет вспомогательную функцию, способствуя сосредоточению лигандов в области центра белковой природы.
При исследовании ряда кислых липидов только сульфатиды проявляли наивысшее сродство к опиатам в различных физиологических условиях. Доказательством важной роли сульфати-дов в рецепции опиоидов может служить и тот факт, что антитела к цереброзидсульфату, введенные в мозг крысы, снимали наркотическое действие морфина.
Если липиды бислоя могут быть участниками процесса рецепции, то естественно ожидать их участия в каскаде реакций, возникающих после активации рецепторов. М.Н. Хокин и Л. Э. Хокин впервые связали холинергическую стимуляцию с усилением обмена фосфатидилинозита и фосфатидной кислоты. Явление получило название «фосфолипидного эффекта»; этот термин сейчас заменен на термин «фосфоинозитид-ный эффект», поскольку появилось большое число работ, показывающих именно их регуляторную роль в транспорте вторичного мессенджера – ионов кальция – через мембраны.
Содержание фосфоинозитидов в мембранах ЦНС не превышает 0,5–2% от общих липидов, локализованы они преимущественно в плазматических мембранах, в миелине, в эндоплазматическом ретикулуме, наружной митохондриальной и ядерной мембранах. В состав фосфоинозитидов входит арахидоновая кислота, являющаяся важным источником простагландинов. Деполяризация мембраны приводит к быстрому высвобождению арахидо-новой кислоты именно из фосфоинозитидов. Р. Митчелл высказал гипотезу о прямой связи расщепления фосфоинозитидов с рецепторным аппаратом клетки и увеличением внутриклеточной активности. В синаптосомах стимуляция части мускариновых и ах-адренерги-ческих рецепторов обусловливает фосфоинозитидный эффект, сопровождающийся изменением проницаемости плазматической мембраны для ионов кальция.