БИОМЕМБРАНЫ

МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ

SPRINGER ADVANCED TEXT IN CHEMISTRY CHARLES R. CANTOR, SERIES EDITOR

ROBERT B. GENNIS

Biomembranes

Molecular Structure and Function

Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg Tokyo

Геннис

БИОМЕМБРАНЫ

Молекулярная структура и функции

Перевод с английского канд. хим. наук Л.И. Барсукова, канд. биол. наук А.Я. Мулкиджаняна А.Л. Семейкиной и канд. биол. наук В.Д. Следя

Москва «Мир» 1997

УДК 576.32/.36

ББК 28.07 Г 34

Геннис Р.

Г 34 Биомембраны: Молекулярная структура и функции: Пер. с англ. — М.: Мир, 1997. — 624 с, ил. ISBN 5-03-002419-0

В книге известного американского специалиста на основе новейших данных изложены современные представления о структуре мембран и их отдельных компонентов, описаны подходы к анализу механизмов работы мембранных систем клетки. Книга может быть использована как руководство ло мембранологии.

Для специалистов — биохимиков, биофизиков, физиологов, фармакологов н студентов старших курсов биологически> факультетов.

ББК 28.07

Редакция литературы по биологии

ISBM 5-03-002419-0 (русое.) ISBN 0-387-96760-5 (англ.)

© 1989 by Springer-Verlag New York Inc. All Rights Reserved. Authorized translation from English language edition published by Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo

© перевод на русский язык, коллектив переводчиков, 1997

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Эта книга принадлежит к хорошо зарекомендовавшей себя серии "Springer Advanced Text in Chemistry". Ее автор — один из известнейших мембранологов США, широко применяющий генетические и эн-зимологические подходы к изучению мембранных ферментов бактерий. Однако содержание монографии далеко выходит за рамки конкретных интересов Р. Генниса как экспериментатора, претендуя на исчерпывающий охват темы, указанной в заглавии. В книге изложены новейшие сведения о структуре биологических мембран и приведены примеры, когда структурные данные позволяют приблизиться к пониманию механизмов работы мембранных систем живой клетки.

Книга рассчитана на широкий круг читателей самых разных специальностей и уровней подготовки — биохимиков, биофизиков, физиологов, фармакологов и медицинских химиков. Она может использоваться как учебное пособие аспирантами и студентами.

В.П. Скулачев, академик РАН

Посвящаю моей семье:

Джой и Сильвии, родителям, Кристине, жене, и

Эммелине Розе, дочери, за все то счастье, которое она нам принесла

ПРЕДИСЛОВИЕ

Исследования мембран стали «точкой приложения» самых разных научных дисциплин — от биофизики до молекулярной биологии. В царство мембран можно попасть, будучи физиком, генным инженером или специалистом в любой междисциплинарной области науки. Поэтому написать книгу, которая удовлетворила бы интересы столь широкой аудитории, — это большая ответственность. Однако каждый, кто хочет находиться в курсе современного состояния исследований в области биологических мембран, должен обладать определенным объемом знаний и быть знакомым с некими фундаментальными принципами. Именно на этих основополагающих моментах и сконцентрировал я свои усилия при написании книги. Мой взгляд — это взгляд биохимика, и в отобранном мною материале центральное место занимают вопросы молекулярной структуры мембран и взаимосвязи между структурой и функцией. Эта книга будет полезна как студентам старших курсов, так и тем, кто хочет самостоятельно изучить вопросы, связанные со структурой и функцией мембран. В ней содержится основополагающая информация и по таким специальным разделам, как транспорт, рецепторы, передача сигналов или биогенез мембран. Список литературы охватывает работы до конца 1987 г.

Я стремился написать книгу, которая вызвала бы интерес и у новичка, только приступающего к изучению мембранологии, и у активно работающего в ней исследователя. Следуя этой цели, я попытался упорядочить весь необозримый материал, с тем чтобы проиллюстрировать взаимосвязь исследований, проведенных в различных областях мембранологии, и выявить их общую концептуальную основу. Я составил весьма обширный список литературы, чтобы читатель мог при необходимости обратиться к первоисточникам и глубже изучить интересующий его вопрос. Возможно, некоторым читателям покажется, что материал и так излишне детализирован, но я считаю, что таким и должно быть издание повышенного уровня. Всегда есть возможность лишь бегло просмотреть те разделы, которые вас в данный момент не очень интересуют.

8 Предисловие

Я хотел бы поблагодарить тех, кто оказывал мне помощь и поддержку в течение долгого, иногда казавшееся бесконечным, процесса создания этой книги. Мои друзья и коллеги любезно согласились прочитать отдельные разделы рукописи и помогли мне поддержкой и советом, а также указали на ошибки. Это Richard Anderson, Vyto Bankaitis, Lewis Cantley, Charles Cantor, Tony Crofts, John Cronan, Pieter Cullis, Tom Ebrey, Don Engelman, Gerry Feigenson, Sidney Fleischer, George Fortes, Michael Glaser, Neil Green, Lynne Guildensoph, Ari Helenius, Rick Horwitz, Wayne Hubbel, Ken Jacobson, Ron Kaback, Jim Kaput, Steve Kaufman, David Kranz, Vishnawath Lingappa, Mark McNamee, Chris Miller, Eric Oldfield, Elliot Ross, Ted Steck, John Whitmarsh. Я особенно признателен J. Keith Wright, оказавшей неоценимую помощь в редактировании рукописи, и Ann Dueweke, которая помогла получить разрешение на использование уже опубликованных материалов и привела в порядок список литературы, а также Karen Shannon из компании Precision Graphics (Champaign, Illinois) за изготовление всех рисунков. Благодарю также всех тех, кто оказал помощь в считывании окончательного текста рукописи: Kathe Andrews, Rose Beci, Visala Chepuri, Tom Dueweke, Hong Fang, John Hill, Tamma Kaysser, Kiyoshi Kita, Laura Lemieux, Gail Newton, Kris Oden, Petr Pejsa, Jim Shapleigh, Steve Van Doren, Cecile Vibat, Melissa White, Chris Yun.

И наконец, я в высшей степени благодарен за неоценимую техническую помощь, которую оказали мне сотрудники отдела физической химии Иллинойсского университета Evelyn Carlier, Jan Williams, Karen McTague, Betty Brillhart.

Урбана, Иллинойс

Роберт Б. Геннис

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ: СТРУКТУРА И СОСТАВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН

1.1. Роль мембран и их разнообразие

Мембраны играют ключевую роль как в структурной организации, так и в функционировании всех клеток — прокариотических и эукариотических, растительных и животных. Мембраны формируют внутриклеточные компартменты (отсеки), с их помощью происходит разделение содержимого компартментов и окружающей их среды. Но если бы это была единственная функция мембран, они не были бы для нас столь интересны. Мембраны не только разделяют клетку на отдельные компартменты, но и участвуют в регуляции всех связей и взаимодействий, которые осуществляются между наружной и внутренней сторонами этих компартментов. Это может проявляться в виде физического переноса ионов или молекул через мембрану (внутрь компартмента или из него) или в форме передачи информации при помощи конформационных изменений, индуцируемых в мембранных компонентах. Кроме того, с мембранами связаны многие клеточные ферменты. Некоторые из них катализируют трансмембранные реакции, когда реагенты находятся по разные стороны мембраны или когда каталитический акт сопровождается транспортом молекул. Другие ферменты образуют своеобразные комплексы, которые осуществляют цепь последовательных превращений, причем благодаря тому, что эти ферменты располагаются в плоскости мембраны, повышается эффективность всего процесса. Имеются ферменты, которые, действуя на мембраносвязанные субстраты, участвуют тем самым в биосинтезе мембран. С участием мембран в той или иной степени осуществляется большинство жизненно важных клеточных функций, например протекают такие разные процессы, как репликация прокариотической ДНК [807, 777, 803], биосинтез белков и их секрция, биоэнергетические процессы и функционирование систем гормонального ответа.

Данные, полученные при изучении клеток млекопитающих методом электронной микроскопии, свидетельствуют о наличии широко развитой сети внутриклеточных мембранных образований, которая занимает значительную часть внутреннего объема клетки. Сейчас уже не вызывает сомнений, что основные принципы структурной

10 Глава 1

организации всех этих мембран по сути одинаковы. Более того, эти принципы соблюдаются также и в случае мембран растительных и бактериальных клеток. Основные закономерности, установленные Робертсоном в конце 1950-х гг. [1231], позволяют нам переносить результаты, полученные при исследовании одной мембранной системы (например, мембраны эритроцитов), на другие системы (конечно, со всеми необходимыми предосторожностями). Естественно, учет специфики здесь необходим, поскольку, как это ни парадоксально звучит, одной из самых характерных особенностей мембран является их чрезвычайное разнообразие. Такое разнообразие обусловлено прежде всего разнообразием белков, присутствующих в каждой мембране, и способов их взаимодействия друг с другом и с компонентами цитоплазмы. Эти взаимодействия в конечном счете проявляются в специфической морфологии мембранных образований (таких, как микро-ворсинки кишечного эпителия или тубулярный эндоплазматический ретикулум) и могут быть связаны с латеральной гетерогенностью той или иной мембраны (разд. 4.5). Таким образом, основная задача заключается в том, чтобы, опираясь на общие представления о структуре и функциях мембран, выявить молекулярно-биологические основы их структурного и функционального разнообразия.

Успехов в исследовании мембран удалось достичь благодаря сравнительному изучению мембран из множества разнообразных организмов. Бактериальные клетки имеют довольно простую наружную оболочку, содержащую одну или две мембраны, которые можно модифицировать генетически или путем изменения условий роста клеток. Вирусы с оболочкой внедряются в клетки животных благодаря слиянию с плазматической мембраной последних (разд. 9.5.2) и высвобождаются из клетки-хозяина, отпочковываясь от нее (разд. 4.5.3). Изучение созревания вирусных белков позволяет узнать много нового о процессах биосинтеза мембранных белков (разд. 10.2).

Эукариотические клетки содержат различные мембранные органеллы, причем каждая мембрана уникальна по своему составу, особенностям структурной организации и по характеру выполняемых функций. Для того чтобы понять мотивы исследований, описанных в последующих главах, необходимо получить некоторые общие представления о биологических функциях различных мембранных систем. На рис. 1.1 схематически изображены мембраны, обычно представленные в животной и растительной клетках. Заметим, что внешний вид органелл неодинаков в клетках разного типа. Кроме того, некоторые клетки, например палочки сетчатки, а также клетки скелетных мышц, имеют высокоспециализированные мембраны, выполняющие уникальные функции.

1. Плазматическая мембрана. Плазматическая мембрана образует границу, на которой осуществляется контакт клетки с ее окруже-

Введение: структура и состав биологических мембран 11

Животная нлетна Растительная нлетна

клеточная

стенка Хлоропласт

Примерно Ю мкм

Рис. 1.1. Схематическое изображение органелл эукариотических клеток животных и растений на основании данных электронной микроскопии [425а].

нием. Она содержит специализированные компоненты, участвующие в межклеточных контактах и взаимодействиях, в системах гормонального ответа и транспорта как малых, так и больших молекул из клетки и внутрь ее. Однако и сама плазматическая мембрана состоит из специализированных участков, которые имеют различное окружение. На рис. 1.2 изображены апикальный и базолатеральный участки плазматической мембраны гепатоцитов и поляризованных эпителиальных клеток. Апикальная мембрана контактирует с какой-либо внутриклеточной средой. Так, у гепатоцитов она обращена в просвет желчных канальцев, а у эпителиальных клеток кишечника — в просвет желудочно-кишечного тракта. Она может иметь специализированные структуры, например микроворсинки; последние в некото-

12 Глава 1

А /Слетка паренхимы печени 6 Эпителиальная нлетна

Рис. 1.2. Схематическое представление доменной организации плазматической мембраны гепатоцита (А) и поляризованной эпителиальной клетки (Б).

рых всасывающих клетках образуют щеточную каемку. Микроворсинки значительно увеличивают площадь поверхности мембраны, в результате чего повышается эффективность мембранного транспорта. Базолатеральная мембрана находится в контакте с другими клетками (в этом случае она называется латеральной или контактной) или обращена в просвет кровеносных сосудов (и называется си-нусоидной мембраной). Латеральная и синусоидная мембраны гепа-тоцитов различаются как по своей морфологии, так и биохимически [402].

Базолатеральная мембрана гепатоцитов имеет также специализированные структуры, ответственные за межклеточную адгезию и транспорт.

Плотные контакты герметизируют область соприкосновения клеток и предотвращают перемешивание содержимого желчных канальцев и кровеносных сосудов.

Щелевые контакты содержат множество регулярно расположенных пор, которые позволяют небольшим молекулам проходить через плазматические мембраны двух соприкасающихся клеток. Электронно-микроскопические и биохимические исследования выявили характерные детали молекулярной организации этих пор, показав, что

Введение: структура и состав биологических мембран 13

каждая из них содержит гексагонально упакованные белковые субъединицы (разд. 8.2.1).

Десмосомы также обеспечивают клеточную адгезию и участвуют во взаимодействии плазматической мембраны с элементами цитоскелета (разд. 4.3).

Апикальный, латеральный и синусоидный участки плазматической мембраны различаются морфологически и имеют уникальный состав и функции. Если клетки разрушить в мягких условиях, то можно выделить и очистить фракции, отвечающие этим участкам плазматической мембраны [402]. Как на молекулярном уровне обеспечивается в клетке существование таких специализированных доменов, пока неясно, хотя известно, что не все их компоненты способны свободно диффундировать между доменами (разд. 4.5.1).

2. Ядерная мембрана. Ядерная оболочка клетки, находящейся в интерфазе, на электронных микрофотографиях имеет вид двух элементарных мембран с узким просветом между ними, называемым перинуклеарным пространством [459]. Эта мембрана происходит из эндоплазматического ретикулума (см. ниже) и, по-видимому, неразрывно связана с ним. Наиболее характерными морфологическими признаками являются порообразные структуры. Они имеют диаметр около 600 А и состоят из морфологически четко выявляемых компонентов, образующих октагональную решетку [1483] (разд. 8.2.2). В том месте, где расположены эти структуры, внутренняя и наружная ядерные мембраны выглядят слившимися. Полагают, что поры позволяют комплексам мРНК—белок переходить из ядра в цитоплазму, а регуляторным белкам перемещаться в обратном направлении, из цитоплазмы в ядро. Биохимические данные о ядерной оболочке весьма немногочисленны.

3. Эндоплазматический ретикулум (ЭР). Это сложная сеть ци-стернообразных или трубчатых структу