химический каталог




Химия биологически активных природных соединений

Автор Н.А.Преображенский, Р.П.Евстигнеева

ставной частью мембран является также холестерин, содержание которого в различных типах мембран изменяется очень широко. Так, для миелина и, по-видимому, для плазматической мембраны характерно высокое содержание холестерина (мольное отношение фосфолипид: холестерин равно 1), а в митохондриях, эндоплазматической сети и, возможно, во всех цитоплазматических мембранах холестерина содержится мало. Содержание холестерина существенно сказывается на проницаемости мембран.

Белки мембран изучены в меньшей степени, чем липиды. Их условно делят на два типа: белки, обладающие каталитической активностью (ферментативные), и структурные белки, лишенные каталитической активности. Структурные белки составляют 45—50% всего количества белка мембранных систем, они представляют собой набор белков, отличаю-

374

щнхся молекулярной массой и аминокислотным составом. Для структурного белка характерно присутствие аминокислот, содержащих неполярные боковые цепи, за счет которых обеспечивается взаимодействие с гидрофобными участками фосфолипидов. Роль структурного белка в функционировании биологических мембран окончательно не выяснена, по-видимому, он имеет значение для поддержания структуры мембраны и оказывает аллостерическое регулирующее влияние на ферментные системы, локализованные в биологических мембранах.

Молекулярная организацмя биологически: мембран

В настоящее время систематизирован большой материал по морфологическим характеристикам биологических мембран, их свойствам и химическому составу. Однако вопрос о молекулярной организации биологических мембран окончательно не решен [311, р. 1—67].

Согласно одной концепции, мембрана рассматривается как система мономолекулярных слоев белка и липида (концепция слоистого строения мембран) [312, р. 3, 44], в соответствии с другой точкой зрения, мембрана построена из слоя повторяющихся субъединиц, представляющих собой надмолекулярные липопротеидные комплексы (концепция субъединиц) [313—316].

Гипотеза слоистого строения мембраны была предложена в 1935 г. Даниэлян и Доусоном на основе изучения клеточной проницаемости и данных электронномикроскопи-ческих исследований, а далее обоснована и развита Робертсоном, который предложил модель так называемой элементарной мембраны (рис. 25). В основе этой концепции лежит принцип одинаковой организации всех мембран.

Элементарная мембрана построена по типу «сэндвича» (белок — ли-пид —- белок). Сердцевину мембраны составляет бимолекулярный ли-пидный слой, в котором молекулы липидов ориентированы перпендикулярно поверхности мембраны. Полярные головки липидных молекул направлены наружу, в сторону водной фазы, а гидрофобные остатки жирных кислот, спиртов, альдегидов обращены внутрь бимолекулярного слоя. Липидный слой с обеих сторон прикрыт непрерывными мономолекулярными слоями белков (в меньшей степени, полисахаридов). Белки, входящие в состав мембраны, находятся в растянутой по поверхности липида форме и имеют 6-конформацию. Белок по обеим сторонам мембраны может быть не одинаков, что определяет ее асимметричность. Мембрана стабилизирована за счет взаимодействия ионных групп липидов и белка.

В течение длительного времени такое представление о структуре мембраны имело широкое распространение и согласовывалось с искусственными модельными системами, которые прочно вошли в практику исследования клеточных мембран. Однако в последние годы в связи с развитием и дальнейшим совершенствованием методов выделения и иссле-

/\AAAAAA/VWWVWV\

мИШНННпИ

ИШНШШШ!

WWVAAAAA/WWVW

Рис. 25. Схема строения элементарной мембраны.

375

дования мембран (электронная микроскопия, различные виды спектроскопии, методы фрагментации и сборки мембран, изучение модельных мембранных систем и т. д.) накопились экспериментальные факты, которые не могли быть объяснены с позиций элементарной мембраны. Так, слоистое-расположение белков и липидов трудно согласуется с данными о слабой атакуемости мембран протеолитическими ферментами. Например, белки мембраны бактерий Micrococcus lysodeikticus очень медленно гидролизуются субтилопептидазой А, и в то же время мембрана сравнительно быстро разрушается под действием панкреатической липазы или фосфолипазы А. Это позволяет высказать предположение о расположении липидов на поверхности мембраны.

Исследование оптических свойств изолированных мембран в поляризованном и инфракрасном свете, а также с помощью ядерного магнитного резонанса показало, что значительная часть мембранных белков (до 50%) имеет конформацию а-спирали, а остальные белки находятся в состоянии случайных клубков, что противоречит модели Даниэлля —

Доусона. Кроме того, было уста-

ооо О??

Рис. 26. Модель мембраны пласта (по Бенсону).

о 600 хлоро-

новлено [317, р. 190—202], что участки белков с а-спиралью содержат *болыпое количество «гидрофобных» аминокислот и находятся в гидро-' фобном окружении, что создает предпосылки для возникновения гидрофобных взаимодействий и ограничивает участие ионных сил, которым отводилась основная роль в модели элементарной мембраны. О неравномерности распределения белков и липидов в мембране свидетельствует факт наличия участков липидов, отличающихся степенью прочности связи с белком.

Концепция слоистой элементарной мембраны подвергалась критике со стороны ряда исследователей, которые считали целесообразным рассматривать мембрану как совокупность повторяющихся субъединиц [313—316]. Субъединицы, по их мнению, следует классифицировать как надмолекулярные липопротеидные комплексы, в которых роль структурного каркаса принадлежит белкам. Липопротеидные комплексы стабилизированы главным образом за счет гидрофобных взаимодействий [318].

Сторонниками концепции субъединиц выдвинут ряд гипотез строения мембран. По мнению Бенсона мембрана построена из однородной липо-протеидной массы [317]. Так, в мембране хлоропласта внутренняя часть образована гидрофобными группами белка, имеющими а-спиральную конформацию, гидрофильные группы белка ориентированы на поверхности белковой молекулы. Липиды образуют несплошной бимолекулярный слой, прерываемый участками белка (рис. 26). Гидрофобные части молекул липидов расположены в белке, а полярные головки обращены в водную фазу.

Значительно большее признание получила гипотеза глобулярного строения мембраны [313], согласно которой мембрана построена из цепочки глобул, представляющих собой мицеллы липида; белки в предполагаемой схеме скрепляют глобулы липидов. По схеме, предложенной Фрей-Висслингом и Мюлеталером [315], мембрана построена из двух слоев липопротеидных субъединиц, в отдельных местах между которы-

376

ми внедряются более крупные белковые частицы, проявляющие свойства ферментов (рис. 27).

Гипотеза глобулярности биологических мембран получила некоторое обоснование в исследованиях Грина [314]. Согласно предложенной им схеме, мембрана построена из повторяющихся субъединиц, отличающихся между собой набором ферментов. Фосфолипиды, взаимодействуя с глобулярными субъединицами мономолекулярного белкового слоя, как бы пропитывают его поверхность.

Кроме того, выдвинут ряд схем строения мембраны, которые занимают промежуточное положение между концепцией слоистого строения и концепцией субъединиц. По модели Луси, мембрана на одних участках включает сферические липидные мицеллы, расположенные в гексагональном порядке, на других — бимолекулярный слой липидов. В некоторых местах вместо мицелл присутствуют глобулярные белковые молекулы. Липидные мицеллы и бимолекулярные слои покрыты сплошным слоем неглобулярного белка или гликопротеида.

Рис. 27. Модель мембраны (по Фрей-Висслингу и Мюлеталеру).

В настоящее время отдать предпочтение какой-либо из описанных концепций строения биологической мембраны (концепции слоистого строения или строения из субъединиц) не представляется возможным.

Для изучения биологических мембран применяют разнообразные физико-химические методы: ИК- и раман-спектроскопию, ЯМР, оптические методы (ДОВ и циркулярный дихроизм), рентгеноструктурный анализ. Определенная информация о структуре и функционировании биологических мембран может быть получена также из изучения искусственных мембранных систем.

Намечены различные подходы к изучению мембран. Одна группа методов основана на фрагментации мембран на определенные морфологические, химические и биохимические компоненты, изучении их свойств и последующей рекомбинации мембранной структуры [318, 319].

Фрагментацию мембран осуществляют различными способами: воздействием ультразвука, изменением ионной силы и солевого состава среды, механическим разрушением, действием ферментов (протеазы, липазы, фосфолипазы), химических агентов (мочевина, соли желчных кислот и т. д.), обработкой различными детергентами (анионо- и катионоактив-ные, неионогенные).

Механизм взаимодействия детергентов с биологическими мембранами неизвестен. Вопрос о том, являются ли фрагменты мембран липопро-теидными комплексами или же образуют смесь липиднодетергентных и белководетергентных комплексов, окончательно не решен.

Реконструкция мембран из фрагментов достигается удалением детергента диализом или уменьшением его концентрации. Рекомбинированная мембрана обычно отличается от исходной по составу и активности присутствующих в ней ферментов, что может быть обусловлено конформаци-онными изменениями, вызванными детергентами или иным взаимным положением липидов и мембранных ферментов.

377

Метод фрагментации детергентами имеет ряд ограничений и единственный надежный вывод, который можно сделать на основании сопоставления результатов различных работ, состоит в том, что несомненно большая роль в сцеплении компонентов биологических мембран принадлежит гидрофобным взаимодействиям, хотя существенное значение имеют и электростатические силы. В каждом конкретном виде биологических мембран соотношение этих сил должно быть различным в зависимости от природы белков, состава липидов и характера других компонентов, например полисахаридов.

Одним из действенных методов исследования биологических мембран является электронная микроскопия, на данных которой главным образом и основана концепция слоистого строения мембраны. Однако к интерпретации результатов электронномикроскопических исследований подходят с определенной осторожностью, учитывая возможность изменения мембранного материала в процессе его подготовки к исследованию.

В последние годы предложены новые методы подготовки мембранного материала, которые исключают возможность структурных изменений. Среди них наиболее известен метод замораживания — травления, сущность которого состоит в том, что мембранный материал предварительно импрегнируют антифризом (изотонический водный раствор глицерина) и замораживают в вакууме. Затем под вакуумом делается срез (скол) материала и с обнаженной поверхности приготавливается реплика, которую и исследуют. Этот метод создает возможность изучения мембран в их естественном водном окружении. Пропитка антифризом и быстрое замораживание ткани предотвращают образование льда и связанных с ним нарушений. В настоящее время с помощью этого метода изучено строение мембран различного типа, однако данные, полученные различными исследователями, интерпретируются неоднозначно.

Реплики поперечного среза мембран имели типичное трехслойное строение, причем на поверхности мембран были обнаружены сферические частицы (размер 6,0—25,0 нм). Предполагают, что частицы представляют собой липопротеидные субъединицы и располагаются внутри мембраны. Однако это маловероятно, поскольку частицы не выявляются на поперечных срезах мембран, где отчетливо просматривается трехслойная структура с гомогенным средним слоем. По мнению других исследователей, частицы представляют собой наружный белковый компонент мембраны, однако неясно, почему они не выявляются в некоторых мембранах. Возможно, частицы следует рассматривать как комплексы глобулярных белков-ферментов, адсорбированные мембраной или частично пронизывающие ее.

Следовательно, и метод замораживания — травления пока не доказывает существования субъединиц в мембранах и в большей степени согласуется с концепцией слоистой структуры мембраны.

Данные по биогенезу мембран также не подтверждают концепцию строения мембраны из субъединиц. В этом случае сборка мембраны должна была бы быть одноэтапным процессом, в то время как в действительности сборка мембраны происходит в несколько этапов: вначале создается липидная основа мембраны, а далее присоединяется белковый компонент.

Данные электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, биофизических исследований, а также данные по химическому составу мембран в большей степени согласуются с концепцией слоистой мембраны.

378

Сторонники слоистого строения мембраны допускают ряд модификаций элементарной мембраны, в частности возможность гидрофобного взаимодействия между белками и липидами, а также возможность проникновения белка в бимолекулярный липидный слой и т. д.

Таким образом, интересный и важный вопрос о строении биологических мембран -— одного из главных элементов живой клетки — до сих пор окончательно не решен, хотя, по-видимому, не вызывает сомнения тот факт, что все мембраны имеют один и тот же основной принцип организации.

ПРОТЕОЛИПИДЫ

Термин протеолипиды впервые применен для обозначения определенной липидной фракции белого вещества головного мозга, которая наряду с липидами содержала белок и была растворима в смеси хлороформ — метанол (1 : 1).

Протеолипиды обнаружены в различных тканях животного организма (мозг, сердце, почки, легкие, скелетные мышцы), крови, в растениях (хлоропласты салата), в водорослях, микроорганизмах, молоке. Протеолипиды являются основными компонентами мембранных органелл и миелина. Они локализованы в ядерных и плазматических мембранах, в митохондриях, в микросомальных фракциях.

В растительном материале протеолипиды представлены в хлоро-пластах. Для выделения их используют различные методы осаждения, диализ, хроматографию на сефадексах, электрофорез, ионообменную хроматографию и др.

Содержание белка в протеолипидах колеблется от 65 до 86%. В настоящее время изучен аминокислотный состав ряда протеолипидов и отмечено его сходство с аминокислотным составом структурных белков соответствующих органов. Для протеолипидов мозга характерно высокое содержание триптофана.

Протеолипиды, выделенные из различных источников, имеют разный липидный состав. Так, протеолипид белого вещества головного мозга включает в качестве липидной половины в основном цереброзиды. Из сердца выделен протеолипид с геминоподобным белком, содержащим железо. Липидная часть этого гематопротеолипида представлена смесью лецитина, фосфатидилэтаноламина, фосфатидилсерина, инозитфосфатидов, сфингомиелинов, полиглицерофосфолипидов, плазмалогенов. Количество нейтральных липидов очень мало; мольное отношение нейтральный липид : фосфолипид составляет 1 : 30. Протеолипид хлоропласта салата содержит галактолипид, сульфонат галактозилдиглицерида.

Протеолипиды расщепляются при действии ряда растворителей, вызывающих денатурацию, при добавлении солей органических и неорганических кислот, щелочных значениях рН

страница 53
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Химия биологически активных природных соединений" (6.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
что означают синие цветы в букете невесты
Фирма Ренессанс: лестницы на второй этаж модульные - цена ниже, качество выше!
стул изо т
где хранить вещи на складе

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(10.12.2016)