В последнее время достигнуты большие успехи в определении строения пор на молекулярном уровне. Особенно ценным в исследованиях оказался метод реконструкции изображения; с его помощью удалось не только визуализировать отверстия в мембране, создаваемые большими порами, но и выявить симметричную организацию субъединиц вокруг центрального отверстия (табл.2).

Таблица 2. Псевдосимметрия некоторых пор.

Важным исключением из б-спирального семейства являются порины, поскольку они формируют поры из в-слоев, а не с помощью б-спиралей. Поры могут образовываться с помощью эндо- и экзогенных веществ.

3.1 ЯДЕРНЫЕ ПОРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Ядерная оболочка клеток млекопитающих содержит 3-4 тысячи пор (примерно 10 пор на 1 квадратный мкм). Через ядерные поры происходит обмен веществами между ядром и цитоплазмой. Действительно, РНК, синтезируемые в ядре, а также рибосомные субъединицы и белки, содержащие сигналы ядерного экспорта, транспортируются через ядерные поры в цитоплазму, а гистоны, компоненты репликативной системы, многие другие белки импортируются через ядерные поры из цитоплазмы в ядро. Поры окружены большими кольцевыми структурами, называемыми поровыми комплексами (их внутренний диаметр составляет приблизительно 80 нм, а мол. масса -50-100 млн. Каждый комплекс образован набором больших белковых гранул, сгруппированных в октагональную структуру. Поровой комплекс пронизывает двойную мембрану, связывая по окружности поры липидный бислой внутренней и внешней мембран в единое целое. "Дыра" в центре каждого комплекса (ядерная пора) представляет собой водный канал, сквозь который водорастворимые молекулы курсируют между ядром и цитоплазмой. Ядерный поровой комплекс содержит заполненный водой цилиндрический канал диаметром около 9 нм. Большие ядерные белки взаимодействуют с белками-рецепторами, расположенными на границе ядерных пор, и эти рецепторы активно переносят белки в ядро, увеличивая канал поры.

Количество ядерных пор зависит от типа клетки, стадии клеточного цикла и конкретной гормональной ситуации. Для ядерной поры характерна симметрия восьмого порядка, поэтому многие белки ядерной поры представлены в ее составе в количестве, кратном восьми. В электронный микроскоп видны выпуклые кольца. Кольцо, находящееся с ядерной стороны, несет структуру, называемую корзиной (basket). Это образование состоит из обращенных в нуклеоплазму фибрилл и прикрепленного к ним терминального кольца. К просвету канала обращены восемь симметричных образований (spoke complex). В центре комплекса виден вход в канал ядерной поры. Иногда в канале оказывается видна электронноплотная гранула. Некоторые исследователи полагают, что это какой-то транспортирующийся комплекс в момент пересечения ядерной мембраны. Другие считают, что эта структура является функциональной деталью ядерной поры. На основании этого последнего предположения была даже выдвинута не подтвердившаяся впоследствии гипотеза, согласно которой ядерная пора содержит не один, а восемь проницаемых каналов. Молекулы массой менее 5 кДа, проходят через ядерную пору свободно, и равновесие между ядерной и цитоплазматической концентрацией устанавливается за секунды. Для белков массой 17 кДа этот процесс занимает 2 минуты, белков массой 44 кДа (приблизительно 6 нм) - 30 минут. Белки массой более 60 кДа, по-видимому, вообще не могут пассивно проходить через ядерные поры. Проницаемый для гидрофильных макромолекул канал, через который происходит как активный, так и пассивный транспорт, в ядерной поре один, и он, по всей видимости, расположен в центре комплекса. Существуют специальные механизмы транспорта макромолекул внутрь ядра и из ядра в цитоплазму, однако до сих пор о них мало что известно.

3.2 ПОРИНЫ

Порины образуют поры, которые функционируют как молекулярные сита, опосредуя диффузию небольших гидрофильных молекул через наружную мембрану грамотрицательных бактерий. Молекулярная масса поринов варьирует от 28000 до 48000. В мембране обычно присутствуют в виде триммеров. Для поринов характерно высокое (до 60%) содержание в-слоев. Наиболее полно к настоящему времени охарактеризованы порины из Escherichia coli: ОmpF (порин матрикса), ОmpС, РhoE, LamB (мальтопорин). Эти белки имеют молекулярную массу ~35000. Их основной особенностью является то, что они образуют наполненный водой трансмембранный канал, причем этот канал образован в основном в-структурами. На рис.4. представлена одна из возможных моделей образования поринового канала из амфифильных в-цепей.

1

Рис.4.Модель поринового тримера (вид сверху).

Образуемые порином каналы различаются как по размерам (диаметр от 6 до 23?), так и по селективности. Селективность связана с наличием внутри или около входа заряженных аминокислотных остатков. В одних случаях порины образуют один большой канал, в других - три независимых (рис.4.).

Три из четырех поринов Escherichia coli имеют много общих структурных особенностей, а их аминокислотные последовательности в значительной степени гомологичны. Эти порины образуют поры диаметром 10-12 ? (ОmpF, ОmpС, РhoE).

Порины представляют большой интерес, поскольку они показывают, что трансмембранные каналы могут образовывать не только из б-спиралей, но и из в-слоев.

3.3 МЕМБРАННЫЕ ПОРЫ, СОЗДАВАЕМЫЕ ЭКЗОГЕННЫМИ АГЕНТАМИ

1. Токсины и цитолитические белки.

В природе существуют различные водорастворимые токсины, взаимодействующие со специфическими клетками-мишенями. Одни токсины способствуют высвобождению в цитоплазму фермента, оказывающего летальное воздействие, другие просто образуют в мембране неселективные поры, давая возможность метаболитам, ионам, а иногда и макромолекулам выйти из клетки.

Основные свойства некоторых из токсинов, образующих поры в биомембранах.

· Колицины - одиночные полипептиды (60000 Да), и некоторые образуют неселективные поры. Наиболее полно к настоящему времени охарактеризованы колицины Е1 и А. Под действием напряжения происходит переход образуемой колицином Е1 поры из открытого состояния в закрытое, что сопровождается переносом через мембрану значительного количества белка. Пору образует только одна молекула колицина.

· Дифтерийный токсин - одиночный полипептид, при связывании с поверхностными рецепторами определенных клеток образует в мембране канал и высвобождает в цитоплазму фермент, оказывающий летальное действие. Один фрагмент токсина формирует поры, размер которых достаточно велик, чтобы через них мог пройти сегмент токсина.

· Комплекс комплемента и порообразующих белков из цитотоксичных Т-клеток (перфорин) - эти родственные белки сыворотки агрегируют, образуя поры (внутренний диаметр от 100 до 160?) в мембране клеток-мишеней.

2. Пермеабилизация при помощи детергентов.

Сапонин и дигитонин взаимодействуют с холестеролом внутри мембран и образуют агрегаты в виде пор. Образуют большие поры, через которые внутрь клеток могут проникать как набольшие молекулы, так и мактомолекулы.

3. Пермеабилизация при помощи осмотического шока.

Под действием осмотического шока в мембранах образуются отверстия. Так, в мембране эритроцита появляется одно большое отверстие диаметром ~1 мкм, размер которого затем уменьшается до 14-280 ?.

4. МОЛЕКУЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ МОДЕЛЕЙ ПОР И КАНАЛОВ

Особенно интересны в этом отношении:

Ш Нистатин и амфотерицин В - структурные формулы этих сходных полиенов приведены на рис.5. Диаметр поры составляет около 8?. От 8 до 10 молекул полиена образуют цилиндрическую структуру, в которой гидроксилированные сегменты каждой молекулы обращены внутрь, образуя заполненную водой пору.

Рис.5.Структурные формулы нистатина и амфотерицина В и канал, образуемый в мембране этими полиеновыми антибиотиками.

Эта порообразующая молекула является амфифильной, поскольку обладает полярными и наполярными участками. Полярная часть образована гидроксильными и карбонильными группами. Порообразующий комплекс, по-видимому, стабилен внутри слоя.

Ш Грамицидин А-канал образован двумя молекулами грамицидина А, расположенными голова к голове в в (L,D)-спиральной конфигурации (рис.6.). В результате чередования образуется спираль, в которой все боковые цепи располагаются снаружи, а карбонильные группы остова - внутри канала

Рис.6. Схематическое представление канала, образуемого димером грамицидина А в бислое.

Свойства:

а) гидрофобен, нет ни одной полярной аминокислоты;

б) высокая проводимость;

в) канал является катионселективным;

г) проницаемость для одновалентных катионов изменяется: Cs+>Rb+>K+>Na+>Li+;

д) молекулы могут проходить через канал только поодиночке, поскольку его диаметр составляет всего 4?;

е) вода проходит через канал со скоростью около 108молекул в 1 с при низкой ионной силе;

ж) при достаточно высокой концентрации в мембране (>5мол.%), агрегирует с образованием тубулярных структур.

Ш Аламетицин - представитель природных пептидов, который образует потенциалзависимые каналы. Молекула состоит из 20 аминокислот. Каждый канал образован 6-11 молекулами. Длина составляет 32 ?. Каждый канал образован олигомерным кластером молекул, соединенных водородными связями с образованием стабильной структуры (рис.7.). Представляет хорошую модель, позволяющую объяснить процесс образования поры при ассоциации б-спиралей.

Рис.8. Структура аламетицина

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Принимая во внимание сложную структурную организацию пор и каналов, следует сделать заключение, что поступление веществ в клетку приводит к тому, что происходит запас энергии и поддержание гомеостаза клетки. Транспортные функции белков весьма разнообразны. Жизнедеятельность клетки невозможна без создания и поддержания градиентов концентрации веществ, как электролитов, так и неэлектролитов. Этот градиент поддерживается благодаря действию пассивного и активного транспортов. Главная роль в этом принадлежит: порам, каналам биологических мембран.

ЛИТЕРАТУРА

1. Введение в биомембранологию: Учеб. пособие/Под ред. А.А.Болдырева.- М.: Изд-во МГУ. 1990.-208с.: ил.

2. Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции: пер.с англ.- М.Мир.1997.-624с.; ил.

3. Ленинджер А. Биохимия.- М.: Мир.1985.-Т.1-3.

4. Рыбальченко В. и др. Структура и функции мембран: Практикум. -К. Выща шк.Головное изд-во.1988.-812с.

Страницы: 1, 2