Глава 15. Распределение липидов в мембранах клетки

Митохондриальная фосфолипаза А2

Итак, мы рассмотрели свойства основных липидов клетки. Уже при обсуждении свойств отдельных ФЛ мы видели, что их распределение в клетке сильно отличается и зависит от типа мембран и функций органелл (Dowhan, 1997). Очевидно, что каждый ФЛ имеет свои конкретные функции, которые в сочетании со свойствами других липидов должны обеспечивать функции органеллы и клетки в целом. Попробуем разобраться в этом более подробно. Оценим эти различия с функциональной точки зрения для органелл, хотя бы приблизительно, опираясь на состав (в % от общего количества ФЛ) 3–4 основных ФЛ в мембране каждой органеллы.

Митохондрии: ФХ 44% + ФЭ 34% + КЛ 14% в сумме дают 92%. Опираясь на свойства каждого ФЛ, приведенных выше, мы знаем, что ФЭ и КЛ не участвуют в образовании двухслойных мембран, но важны для встраивания белков в мембрану, поддержания четвертичной структуры и функций белков. Это совпадает с самым высоким в клетке содержанием белков в мембране митохондрий. Очевидно, что ФЭ и КЛ непосредственно взаимодействуют с белками, в то время как ФХ создает собственно двухслойную мембрану в промежутках между плотами из КЛ и взаимодействует с ФЭ и КЛ, которые держат вместе комплексы белков.

Микросомальная мембрана: ФХ 60% + ФЭ 24% + ФИ 10% = 94%. Такой состав ФЛ согласуется тем, что содержание белков, особенно в гладком ретикулуме, в микросомах существенно ниже, чем в митохондриях, поэтому в микросомах много ФХ и меньше ФЭ и практически нет КЛ, поскольку в этих мембранах нет отрицательных курватур. Относительно высокое содержание ФИ указывает на его важную роль в регуляции функций микросом, а может быть, микросомы нужны для регуляторной функции ФИ, поскольку цитохром Р-450 метаболизирует АК.

Лизосомы: ФХ 48% + ФЭ 17% + сфингомиелины 24% = 89%. Далее идут ФИ 6% и ФС 3%. Высокое содержание сфингомиелина в лизосомах указывает на высокую прочность и малую проницаемость мембраны. Сфингомиелин по структуре похож на воск и делает мембрану жесткой. Очевидно, что такие свойства мембраны лизосом необходимы для защиты клетки от деструктивных ферментов органеллы и их непредвиденной активации от неспецифической протонной проводимости. В свою очередь, когда лизосомальные ферменты активируются за счет «накачивания» протонов в пузырек органеллы, прочная мембрана предохраняет клетку от выхода деструктивных гидролитических ферментов.

Мембраны аппарата Гольджи: ФХ 51% + ФЭ 21% + ФИ 12% = 84%. Если добавить к этому ФС (6%) и сфингомиелины (8%), получится 98% ФЛ мембран Гольджи, что согласуется с секреторной и транспортной ролью клеточного устройства и регуляторной ролью ФИ в этой органелле.

Цитоплазматическая мембрана: ФХ 40% + ФЭ 24% + сфингомиелины 12% + ФИ 8% + ФС 9% = 93% от общего содержания липидов. Это указывает на то, что цитоплазматическая мембрана имеет большое разнообразие ФЛ, среди которых основными мембранообразующими являются ФХ и сфингомиелины. Видимо, цитоплазматическая мембрана содержит много холестерола, что вместе с большим содержанием сфингомиелина придает ей жесткость. Разнообразие фосфолипидного состава очевидно связано с большими различиями специфических функций наружного и внутреннего листков (слоев) цитоплазматической мембраны клетки.

Фосфолипиды НММ и ВММ. В отличие от других органелл клетки митохондрии имеют 2 типа мембран (НММ и ВММ), которые имеют совершенно разные функции и разный фосфолипидный состав. Daum и Vance (1997) сравнили фосфолипидные спектры НММ и ВММ, выделенных из тканей растений, млекопитающих и одноклеточных дрожжей. НММ и ВММ млекопитающих, дрожжей и растений сильно различаются по общему количеству ФЛ в мембранах, особенно в наружной мембране. Это очевидно связано с количеством встроенных в мембрану белков. Однако фосфолипидный спектр обеих мембран у таких различных организмов различается весьма незначительно, в пределах ошибки метода.

Рис. 15.1. Фосфолипидный состав наружного и внутреннего листков (слоев) внутренней мембраны митохондрий печени. Наружный листок внутренней мембраны митохондрий «смотрит» в межмембранное пространство; внутренний листок — в матриксное пространство митохондрий. Рисунок заимствован из обзорной статьи Horvath, Daum (2013)

Хотя в ВММ млекопитающих содержание ФИ весьма незначительно, при общей высокой скорости обмена липидов скорость его потока может быть существенной. Сам ФИ и продукты его метаболизма имеют сигнальные функции, а также через гликозилфосфатидилинозитольный якорь может регулировать активность белков и быть источником АК. Очевидно, что состав ФЛ в мембранах тесно увязан с функциями встроенных белков. Это становится еще более очевидным, если сопоставить расположение ФЛ в наружном и внутреннем слоях ВММ с распределением встроенных в мембрану белков.

ФХ, который образует основу двухслойной мембраны распределен почти одинаково между двумя слоями мембраны. ФЭ, который не образует двухслойной мембраны, но участвует во встраивании белков в мембрану, представлен во внутреннем слое ВММ в несколько большем количестве, чем в наружном слое. Мы знаем, что со стороны матрикса содержится больше белков, интегрированных с ВММ. Однако особенно заметны различия в неравномерном распределении ФЛ с явно специфическими функциями ФИ и КЛ.

Поскольку большая часть ФИ находится во внутреннем слое ВММ, он играет какие-то регуляторные функции, о которых мы пока мало знаем. Особенно ярко специфическая роль ФЛ видна из того, что митохондриальный КЛ представлен в основном во внутреннем слое ВММ. Это согласуется с тем, что нам известно о роли КЛ в функционировании дыхательной цепи митохондрий и АТФ-синтазы. КЛ, будучи сам по себе маленьким плотом, участвует в формировании суперкомплексов митохондриальных белков.