Какие свойства липидов влияют на функции выполняемые мембраной

5

Лекция 3

Свойства мембранных липидов

Многообразие функций мембранных липидов.

Липидный состав различных мембран не является случайным. Любая конкретная мембрана может содержать более ста различных типов липидных молекул. Это связано, прежде всего, с тем, что липиды активно принимают участие во всех процессах протекающих в мембранах. Существует предположительно ряд основополагающих факторов, объясняющих разнообразие состава липидов в мембранах.

1.  Смесь липидов обязательно должна быть способна образовывать стабильный бислой, в котором могли бы функционировать белки.
2.  Некоторые липиды способствуют стабилизации сильно искривлённых участков мембраны, образованию контакта, между мембранами или связыванию определённых белков, поскольку форма этих молекул благоприятствует нужной упаковке бислоя на соответствующих участках мембраны.
3.  Некоторые липиды являются биорегуляторами.
4.  Некоторые липиды участвуют в реакциях биосинтеза. Например, в клетках E. coli фосфатидилглицерол поставляет глицерофосфатный фрагмент при биосинтезе периплазматических олигосахаридов.
5.  Отдельные липиды необходимы для поддержания оптимальной активности ряда ферментов.
6.  Ганглиозиды играют важную роль в регуляции роста клеток, являются специфическими рецепторами в плазматической мембране и ответственны за клеточную адгезию.
7.  Специфические функции могут выполнять и другие липиды. К ним относится полиизопреноиды (долихол, убихиноны, менахиноны и каротиноиды).

Как показано экспериментально, организмы часто могут выдерживать – причём без всяких последствий – существенные изменения липидного состава мембран. Например, с помощью генетической трансформации можно получить штаммы E. coli, в мембранах которых содержатся 34% фосфатидной кислоты, обычно отсутствующей в штаммах дикого типа.

С помощью рентгеноструктурного анализа установлена с высоким разрешением пространственная структура мембранных липидов. К ним относится лизофосфотидилхолин, димиристоилфосфатидная кислота, димиристоилфосфатидилхолин, дилаурилфосфотидилэтаноламин, димиристоилфосфатидилглицерол и цереброзид.

Кристаллы этих липидов содержат очень мало воды, однако пространственная структура липидов в них оказалось подобна той, которую они имеют в полностью гидратированном состоянии. Их пространственная конфигурация полностью соответствует той конфигурации, которая характерна для бислоя.

Как уже отмечалось выше,  на бактериальную мембрану также распространяется жидко – мозаичная модель. Мембрана образована текучим компонентом – липидным бислоем. Липиды и встроенные в них белки образуют подвижную мозаику. Под жидкостным состоянием понимают способность фосфолипидных молекул к вращению и латеральному перемещению в соответствующем лепестке мембраны. В то же время липидный бислой должен быть достаточно хорошим барьером для молекул и ионов.

При понижении температуры липиды переходят в квазикристалическое состояние, когда молекулы жирных кислот плотно упакованы и неподвижны. Они вытянуты и ориентированы перпендикулярно плоскости мембраны. В этом состоянии подвижность молекул крайне ограничена, а мембрана имеет максимальную толщину и минимальную поверхность.

В состоянии жидкого кристалла молекулы жирных кислот подвижны, но ориентированы преимущественно перпендикулярно плоскости мембраны. При этом толщина мембраны уменьшается, а её поверхность увеличивается. Подвижность молекулы жирной кислоты возрастает к центру мембраны. Скорость их диффузии в мембранах in vivo точно не установлена, но считается, что в течение секунд молекула может пройти всю длину бактериальной клетки. Переход липида из одного лепестка мембраны в другой определяется как “флип – флоп”, что считается маловероятным событием, хотя он необходим для обмена липидов. Кроме того, имеются данные, свидетельствующие об участии мембранных белков в подобных переходах.

 Кристаллизация мембраны может происходить только в достаточно протяжённой области, включающей несколько молекул липидов. Температура, при которой плавятся липиды, зависит и от природы жирных кислот, и от взаимодействий соседних липидных молекул. Прямые палочковидные молекулы насыщенных жирных кислот могут быть очень тесно уложены. Температура их плавления, так же как переходная температура, повышается с увеличением длины молекулы. Наличие двойной связи резко понижает температуру плавления, так как приводит к изгибу молекулы. При этом двойная связь в цис – положении вносит большой беспорядок в укладку молекул, чем в транс – положении. В молекуле жирной кислоты атомы углерода уложены по спирали под углом 1110, в области же двойной связи угол увеличивается до 1230, а в цис – положении изменяется направление хода молекулы. Наличие одной ненасыщенной связи может понизить температуру плавления более чем на 800С. Изоразветвление цепи оказывает аналогичный эффект, при чем антеизо – больший, чем изо-.

Природа полярной головки липида также влияет на температуру его плавления. Кроме того, отрицательно заряженные полярные головки взаимодействуют с двухвалентными катионами, особенно с ионами Мg2+, стабилизирующими структуру липидного слоя. Липидные молекулы, тесно ассоциированные с белками мембраны, не участвуют в фазовых переходах. В реальной гетерогенной мембране при данной температуре могут быть домены, находящиеся в разных состояниях.

В активно растущих и делящихся клетках, как правило, мембраны жидкие и содержат больше липидов. Например, у микоплазм отношение липид/белок мембраны при переходе в стационарную фазу роста уменьшается в 2 – 3 раза.

При охлаждении сначала кристаллизуется часть липидов, содержащая преимущественно насыщенные жирнокислотные остатки. Большая часть белков и липиды, связанные с ними, вытесняются в более жидкие области. Фрагменты мембраны E. coli с различным соотношением белков и липидов были выделены из клеток, выращенных на среде с линоленовой кислотой (18:3). Сферопласты выдерживали при различных температурах и разрушали при помощи осмотического шока. Фрагменты мембран разделяли центрифугированием в градиенте плотности. Если лизис клеток проводили при 460С – выше верхней границы фазового перехода, то получалось одна мембранная фракция с плотностью 1,17 г/см3. Из сферопластов, разрушенных при 40С, т.е. вблизи нижней границы фазового перехода были выделены три фракции с плотностями 1,11; 1,17; и 1,23; г/см3. Первая фракция содержит очень мало белка, а последняя – самая тяжёлая, наоборот богата белком. На репликах со сколов мембран, замороженных от 460С, обнаруживаются равномерно распределённые по поверхности мембраны частицы. При замораживании от 40С в мембране гладкие участки чередуются с заполненными частицами участками. После лизиса при 40С около 70% мембранных везикул большие, диаметром 400 –600 нм, и почти совсем не содержат частиц, и около 30% везикул меньшего размера отличаются высоким содержанием частиц.

Кристаллизация липидов, так и слишком малая их вязкость отрицательно влияют на жизнеспособность клеток. Например, мутант Bacillus stearothermophilus, не способный к синтезу или удлинению насыщенных жирных кислот. Не может расти при столь же высокой температуре, при которой ещё нормально растёт дикий штамм, однако оба штамма практически одинаково растут при более низких температурах.

 У бактерий вязкость мембраны остаётся приблизительно одинаковой при различных температурах выращивания. Это достигается, прежде всего, за счёт изменения количества ненасыщенных и разветвлённых жирных кислот, входящих в её состав. Однако для нормального функционирования мембраны, по крайней мере, у E. coli, насыщенные жирные кислоты необходимы. Если их содержание падает ниже 15% от суммы жирных кислот, мембрана теряет свои барьерные свойства для малых ионов.

В принципе мононенасыщенные жирные кислоты могут быть заменены кислотами, имеющими в центральной части молекулы какую – либо группу, способную препятствовать плотной упаковке углеводородных цепей. Это могут быть кислоты с циклопропановым кольцом, разветвлённые, оксикислоты, бромированные и полиненасыщенные. Такие кислоты действительно способны поддерживать рост ауксотрофов с нарушенным синтезом ненасыщенных жирных кислот.

В обычных условиях мембрана E. coli является “излишне жидкой”, что не даёт клетке определённых преимуществ при неизменной температуре или при незначительном её понижении, но может спасти клетку при резком понижении температуры, что вполне вероятно. Аналогичным образом у  Streptococcus mutans, обитающего во рту человека, липидный состав мембраны обеспечивает рост организма и при более низкой температуре, чем температура человеческого тела.

Гомеовязкостная адаптация у бактерий может определяться различными механизмами. Жирнокислотный состав клеток Acholeplasma laidlawii, выращенной в среде без экзогенных жирных кислот, практически постоянен даже при изменениях температуры роста. В присутствии экзогенных жирных кислот изменение жирнокислотного состава мембраны обеспечивает гомеовязкостную адаптацию организма. Изменение жирнокислотного состава мембраны происходит в этом случае только за счёт различной растворимости в липидном бислое экзогенных жирных кислот. Изменяя характер жирных кислот, содержащихся в среде, можно изменить состав жирных кислот в мембране и соответственно температурные характеристики роста Acholeplasma laidlawii .

Температуры роста Acholeplasma laidlawii и фазового перехода мембранных липидов

 Абсолютная нижняя граница роста 80С не зависит от фазового состояния липидов, так же как и абсолютная верхняя граница 440С, т.е. температурные характеристики организма зависят не только от состояния липидов в мембране. При температурах между этими крайними точками обнаруживается зависимость пределов роста от температур фазового перехода мембранных липидов. На основании этих данных видно, что если хотя бы 10% мембранных липидов находятся в жидкостно-кристаллическом состоянии, то клетка ещё способна расти.

При снижении температуры выращивания E. coli К12 наблюдается увеличение относительного содержания ненасыщенных жирных кислот в цитоплазматической мембране. У некоторых других бактерий при изменении температуры изменяется относительное количество мононенасыщенных жирных кислот. Например, Bacillus licheniformis при 200С содержит 43% ненасыщенных кислот, а при 350С – 15%.

Гомеовязкостная адаптация определяется сочетанием зависимых от температуры изменений специфичности ацилтрансфераз на уровне синтеза фосфолипидов и изменений активности систем синтеза жирных кислот, определяемых изменениями силы гидрофобных взаимодействий, которые, по крайней мере, у E. coli , выступают в роли регулятора синтеза определяемых жирных кислот.

Мембраны бактерий, выращенных при различных температурах, отличаются не только составом жирных кислот, но иногда и характером полярных липидных головок.  Протопласты, полученные из клеток Bac. Megaterium выращенных при более высокой температуре оказались более устойчивы к осмотическому шоку и менее проницаемы, чем полученные из бактерий, росших при низкой температуре.