научная статья по теме ГЕОМЕТРИЯ МЕМБРАНЫ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ Биология

Текст научной статьи на тему «ГЕОМЕТРИЯ МЕМБРАНЫ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ»

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2008, том 25, № 2, с. 83-96

== ОБЗОРЫ

УДК 577.352

ГЕОМЕТРИЯ МЕМБРАНЫ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ

© 2008 г. А. Я. Валиахметов

Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, 142290 Пущино Московской обл.; факс: (495)956-3370; электронная почта: airatv@ibpm.pushchino.ru Поступила в редакцию 14.12.2006 г.

После доработки 18.12.2007 г.

Обзор посвящен систематизации и анализу данных о влиянии геометрии мембраны на различные процессы, протекающие в живых клетках. Кривизна мембраны в некоторых случаях является решающим фактором, регулирующим активность ферментов, а также в белок-липидных взаимодействиях. Это продемонстрировано на примере регуляции активности ряда важных ферментов: фосфолипазы А2, протеинкиназы С, фосфатидилсериндекарбоксилазы 2, цитохрома Р450, фосфатидилинозит-3-ки-назы, СТР:фосфохолин-цитидилтрансферазы, дигликозилдиацилглицеринсинтазы, G-белка ArfGAP1, гидролизующего GTP в составе Arf-GTP. Кроме того, рассмотрено влияние геометрии мембраны и напряжения изгиба бислоя (curvature stress) на проникновение в клетку цитотоксичных и троянских пептидов, на процесс образования пор при проникновении вирусов в клетку, фолдинг мембранных белков и освобождение цитохрома с из митохондрий при апоптозе. Делается заключение о том, что геометрия мембраны и сопряженная с ней энергия напряжения изгиба являются критическими параметрами во многих жизненно важных клеточных процессах, в том числе в регуляции некоторых ключевых ферментов.

Биологическая мембрана представляет собой не просто однородный липидный бислой, содержащий различные белки, а высокоорганизованную и тонко регулируемую структуру. Она включает в себя участки разной геометрической формы, а также липид-белковые домены различного состава. Клеточная мембрана - это открытая динамическая система, которая обменивается веществом и энергией с окружающей средой. Кроме того, в живой клетке постоянно протекают процессы слияния-деления мембранных образований, приводящие к изменениям их топологии. Они идут с участием различных интермедиатов, вероятность появления которых определяется молекулярной геометрией липидных молекул [1, 2]. Такие липиды, как фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфа-тидилинозит, фосфатидилглицерин и сфинголипи-ды, имеют приблизительно одинаковые площади сечения полярной головки и двух жирнокислотных цепей (т.е. имеют цилиндрическую форму), что позволяет им легко организовываться в плоские бислои (рис. 1а). Лизофосфолипиды и детергенты имеют форму обратного (перевернутого) конуса, так как площадь сечения полярной головки больше площади сечения жирнокислотных цепей. Такие липиды в растворе формируют монослойные мицеллы и известны как липиды первого типа (рис. 16). Липиды второго типа - это липиды, у которых площадь сечения полярной головки меньше, чем площадь сечения жирнокислотной цепи. Фосфатидилэтаноламин (ненасыщенный), кардио-липин-Са2+, фосфатидная кислота-Са2+, церамиды

и стеролы имеют коническую форму и при малом содержании воды в системе образуют инвертированные везикулы (рис. 1в). При самосборке монослоев с достаточно высоким содержанием конических липидов будут формироваться неплоские структуры для того, чтобы минимизировать энергию упаковки. Липиды первого и второго типа после очистки образуют такие неламеллярные фазы, как гексагональная и бикубическая [3-9] (рис. 2а, в, г). Такие изогнутые структуры характеризуются спонтанной кривизной монослоя [10, 11]. Кривизна выпуклых по отношению к водной фазе монослойных образований считается положительной. Они спонтанно формируются липида-ми первого типа, имеющими большие полярные головы. Кривизна вогнутых монослойных образований считается отрицательной. Эти структуры спонтанно формируются липидами второго типа, имеющими форму прямого конуса. Однако в бис-лоях изгибу одного монослоя будет противодействовать тенденция к изгибу противоположного слоя. В результате бислой, оставаясь плоским, приобретает специфическую энергию - так называемое "напряжение изгиба" (curvature stress) [7, 12]. Эта энергия может в определенных условиях (изменение электростатистического взаимодействия между полярными головками липидов, температуры, рН) высвободиться, инициировав переход мембраны в другую фазу, например гексагональную (рис. 2а, в) [7, 13], или участвуя в другом мембраносопряженном процессе. Напряжение изгиба является важным параметром мембраны и

Рис. 1. Полиморфные фазы и соответствующие молекулярные формы липидов. а - Плоский бислой и форма липида, формирующего его; б - мицелла и небислойный липид, имеющий форму опрокинутого конуса (липид первого типа), формирующий такие структуры; в - инвертированная мицелла и небислойный липид второго типа.

Рис. 2. Структуры, формируемые липидами в водных растворах. а - Нормальная гексагональная фаза (Н1): цилиндрические мицеллы, в которых жирнокислотные цепи находятся внутри цилиндров, а вода снаружи; б - ламеллярная фаза (Ь): классические бислои; в - инвертированная гексагональная фаза (Н11): инвертированные цилиндрические везикулы, в которых вода заполняет внутренний объем, а жирнокислотные цепи занимают пространство между цилиндрами; „ -бикубическая фаза (по работе [96]).

а

Рис. 3. Образование искривления мембраны. Если небислойные липиды на одной стороне мембраны комплементарно дополняются небислойными липидами другого типа на противоположной стороне мембраны, то возможно образование искривленного бислоя.

может модулироваться разными способами. Например, напряжение изгиба можно увеличить изменением размера полярной головки липида или увеличением ненасыщенности жирнокислотной цепи [14]. Энергия, заключенная в напряжении изгиба, может быть использована во многих клеточных процессах, как будет показано во второй части обзора. Сила этого напряжения изгиба действует в направлении, перпендикулярном плоскости мембраны.

Если небислойные липиды организуются в мембране соответствующим образом, то может образоваться реальный геометрический изгиб мембраны (рис. 3). Поддержание определенной кривизны мембраны жизненно важно для клетки. Для этого существуют механизмы, контролирующие пропорциональное содержание бислой-образующих и небис-лойных липидов и пути регулирования перехода липидов из ламеллярной фазы в гексагональную [7, 15]. В дрожжах Saccharomyces cerevisiae, неспособных синтезировать основной бислойный липид -фосфатидилхолин, относительный избыток небис-лойного липида фосфатидилэтаноламина корректируется укорочением его жирнокислотной цепочки и возрастанием ее насыщенности [16]. Таким образом достигается смещение температуры фазового перехода липида из ламеллярной в гексагональную фазу [17]. Подобный же механизм наблюдается в клетках Escherichia coli в аналогичной ситуации [18]. Более детально вопросы липидного полиморфизма и их роль в определении свойств мембраны рассмотрены в работах [2, 7, 12, 15, 1922].

Изменения мембранной структуры оказались существенными в регуляции функции белков во многих биологических процессах. Особенно это сказывается на трансмембранных белках. В тех случаях, когда длина гидрофобного трансмембранного домена белка не совпадает с толщиной гидрофобной зоны бислоя, возникает так называемое "гидрофобное несоответствие" (hydrophobic mismatch). Наличие липидов первого или второго типа помо-

гает компенсировать данное несоответствие. В тех случаях, когда длина трансмембранного сегмента белка превышает толщину гидрофобной части бислоя, формируется локальное отрицательное искривление мембраны за счет присутствия липидов второго типа, в то время как короткие белки будут индуцировать локальный положительный изгиб в результате повышенного содержания липидов первого типа [6, 21-27].

Ниже рассмотрены примеры влияния геометрии мембраны на некоторые свойства конкретных белков.

ФОСФОЛИПАЗА А2

Гидролиз ш-2-эфирных связей глицерофосфо-липидов мембраны фосфолипазой А2 имеет выраженный двухстадийный характер. Эксперименты, проведенные на больших однослойных везикулах, показали, что первоначальное медленное (3-5 ч) накопление продуктов реакции внезапно резко обрывается и сменяется быстрой стадией, на которой активность фермента возрастает на 3 порядка [28]. Везикулы при этом претерпевают существенные морфологические изменения. Относительно гомогенная по размеру (500-1000 А) популяция сменяется гетерогенной, состоящей из везикул как меньшего размера, так и значительно большего. Данные ЯМР указывают на присутствие сильноискривлен-ных мицеллообразных структур, сформировавшихся в результате накопления в мембране продукта реакции - лизофосфатидилхолина [28]. Исследования на малых однослойных везикулах также показали, что фосфолипаза А2 в сильно искривленных бислоях проявляет высокую активность без длительного лаг-периода [28-31].

Другая группа исследователей использовала гидрочувствительные мембранные флуоресцентные красители - продан и лаурадан - для выявления связи между изменениями в геометрии мембран и активностью фосфолипазы А2 [32]. Флуоресценция меток резко падала при достижении

второй фазы активности фермента. По мнению авторов, это уменьшение флуоресценции означало увеличение гидратации и, следовательно, увеличение кривизны мембраны. Авторы также предполагают, что накопление продуктов реакции (особенно пальмитоиллизофосфатидилхолина) сопряжено с формированием мембранных областей с большой положительной кривизной [32]. Это было подтверждено в опытах на гигантских однослойных везикулах (ГОВ) - везикулах диаметром 50-100 мкм. ГОВ, состоящие из смеси фосфати-дилхолин : сфингомиелин : холестерин (45 : 45 : 10), имеют неоднородную структуру мембраны. Сфингомиелин и холестерин формируют в мембране так называемые рафты - домены с отличными от остальной мембраны физико-химическими свойствами [33-35]. При добавлении к ГОВ фосфоли-пазы А2 она встраивается в мембрану на границе рафта с остальной частью мембраны. Накапливающиеся продукты реакции изменяют локальную кривизну мембраны, что вызывает образование почки с последующим ее отделением от тела везикулы, причем вновь образовавшаяся микровезикула целиком состоит

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком