Обзор литературы Строение и функции эритроцитов

Липиды	Эритроциты человека
Мембрана E. coli
Фосфатидиновая кислота	1,5	0
Фосфатидилхолин	19,0	0
Фосфатидилэтаноламин	18,0	65
Фосфатидилглицерин	0,0	18,0
Фосфатидилинозит	1,0	0
Фосфатидилсерин	8,5	0
Кардиолипин	0,0	12
Сфингомиелин	17,5	0
Гликолипиды	10,0	0
Холестерол	25,0	0

Показана трансмембранная и слоистая гетерогенность распределения различных структур в липидном матриксе (рисунок 2). Трансмембранная гетерогенность выражается в том, что аминофосфолипиды расположены в цитоплазматической полови не бислоя, а остальные фосфолипиды – в наружной половине бислоя. Слоистая гетерогенность выражается в том, что в биологических мембранах присутствуют белки, с которыми липиды могут устанавливать прочные нековалентные связи.

Рисунок 2 – Неоднородная наноповерхность структуры мембраны эритроцита в поле атомного силового микроскопа
Молекулы фосфолипидов формируют липидный бислой – основу структуры мембран эритроцитов. В составе молекулы фосфолипидов имеются остатки ненасыщенных жирных кислот, содержащих от четырех до шести двойных связей, на долю которых приходится около 17% всех жирнокислотных остатков. Плотность упаковки липидного бислоя эритроцитов зависит от степени ненасыщенности фосфолипидов и содержания холестерола, что отражается на упругих свойствах материала мембраны и величине модуля поверхностного сжатия. Фосфолипиды распространены неравномерно. Так, фосфатидилхолин и сфингомиелин являются основными компонентами внешней поверхности мембраны, а фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин локализованы преимущественно на ее внутренней стороне. Миграция в мембране молекул фосфолипидов, их избирательный гидролиз, формирование небислойных липидных фаз в определенных участках мембраны играют важную роль в процессах образования везикул и разрушения красных клеток Молекулы холестерола расположены между молекулами фосфолипидов. Большинство молекул белка сосредоточено на цитоплазматической поверхности липидного бислоя, который полностью пронизывает белок полосы 3 и гликофорин. Поверхность биологической мембраны замкнутая, состоит из фиксированного числа молекул и способна существовать в равновесном ненатяженном состоянии. Благодаря полярным группам молекулы фосфолипидов обладают амфифильными свойствами, что определяет высокое сродство их и водных растворов; наличие двух остатков жирных кислот придает им гидрофобные свойства. Взаимодействие мембраны с водой зависит от площади контакта гидрофобных групп липидов с молекулами воды, которая определяется плотностью упаковки молекул фосфолипидов в мембране. Фосфатиды регулируют активный и пассивный транспорт веществ, определяют чувствительность клеток к действию лигандов, активность мембранных ферментов; фосфатидилсерин, обладая иммунностимулирующей активностью, служит триггером для макрофагального удаления эритроцитов из кровотока. Фосфоинозитолы участвуют в генерации диацилглицерола, активирующего Ca²⁺-фосфолиидзависимую протеинкиназу С и регулирующего работу Ca²⁺-АТФазы и Ca²⁺-каналов инозитол-1,4,5-трифосфата. Поддержание соотношения между фракциями фосфолипидов обеспечивает нормальное функционирование эритроцита. При дезорганизации мембранных липидов клетка утрачивает способность регулировать ионный и антиоксидантный гомеостаз, нарушаются активность мембранных ферментов и метаболизм, что ведет к необратимым изменениям структуры и физиологии эритроцита. Например, нарушаются микровязкостные свойства, оптимальный уровень текучести (в частности, подвижность углеродных атомов в углеродной цепи), длина углеродных цепей фосфолипидов, степень ненасыщенности жирных кислот. При старении эритроцитов мембрана претерпевает структурную и метаболическую модификации, приводящие к их элиминации. В мембране уменьшается концентрация фосфолипидов и холестерола (без изменения содержания мембранных белков) и соответственно снижается соотношение липид/белок. Причем сравнение состава эритроцитарных мембран старых и молодых доноров выявило увеличение при старении организма отношение холестерол/фосфолипид. Работами зарубежных ученых установлено, что включение холестерола в мембраны липосом изменяет их упругие свойства: возрастает величина модуля поверхностного сжатия и критическое значение относительного увеличения площади мембраны и ее натяжения. Наблюдаемые эффекты холестерола на упругие свойства липидного бислоя мембраны ученые связывают с увеличением плотности упаковки фосфолипидов и уменьшением проницаемости мембран для воды.
Белки в эритроцитарной мембране распределяются неравномерно (рисунок 3). По степени влияние на структуру бислоя и силе взаимодействия с ним белковые компоненты мембраны эритроцитов делят на периферические, интегральные и полуинтегральные белки. В большинстве случаев белки имеют ориентацию в направлении, перпендикулярном плоскости липидного бислоя, – иными словами мембрана представляет собой упорядоченную векторную структуру. Белки участвуют в транспорте молекул внутрь клетки и из нее, в клеточном метаболизме, выполняют рецепторную функцию (получают и преобразуют химические сигналы из окружающей среды) определяют морфологические и химические свойства клетки.



Рисунок 3 – Схема расположения белковых структур и спектринового матрикса в бислое мембраны эритроцита


Все компоненты полипептидного профиля мембраны эритроцита по функциональному назначению разделяются на две группы: белковые компоненты, участвующие в формировании мембранного скелета (спектрин, анкирин, белки полос 4.1, 4.2, 4.9, актин) и полипептиды, обеспечивающие метаболизм и ионный гомеостаз (белок полосы 3 – анионный канал, гликофорин, аддуцин, Na⁺,K⁺-АТФаза, Ca²⁺-АТФаза и ацетилхолинэстераза, а также ряд белков полосы 4.5, обеспечивающих транспорт моносахаридов и нуклеозидов, белок фракции 6, представляющий глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеназу). Липидно-белковое взаимодействие в мембране эритроцита обусловливает течение специфических мембранассоциированных процессов, включающих и транспорт ионов, обеспечивая, например, долгосрочное поддержание концентрации Ca²⁺ в цитозоле на низком уровне. Нарушение мембранного транспорта Ca²⁺ – вторичного мессенджера, участвующего в регуляции фактически всех процессов клеточного метаболизма, приводит к изменению функциональной активности зрелых эритроцитов. Характерно, что Ca²⁺-АТФаза эритроцитарной мембраны, являясь тонким регулятором кальциевого равновесия, находится сама под контролем регуляторов – кальмодулина и ряда модулирующих систем, обеспечивающих активность Ca²⁺-АТФазы и ее сродство к ионам Ca²⁺. Контроль за функциональным состоянием Ca²⁺-АТФазы достигается посредством изменения фосфорилирования энзима, а это опосредуется активностью цАМФ-зависимой протеинкиназы и протеинкиназы С. Для ядерных эритроцитов типично наличие хорошо выраженного цитоскелета, формирующего микротрубочки в виде характерного кольца в субмембранной области клетки. Углеводы в составе мембран в свободном виде фактически не встречаются, они входят в состав белков (гликопротеиды) и липидов (гликолипиды). Углеводная часть белковой молекулы находится на поверхности мембраны, что связано с их функциональной ролью – осуществление межклеточных взаимодействий, ограничение подвижности белковых молекул, обеспечение иммунных реакций. Мембранным маркером эритроцита служит сиалосодержащий гликопротеид – гликофорин А (PAS-1), большая часть полипептидной цепи которого располагается на наружной поверхности мембраны. Наличие остатков нейраминовой кислоты в составе этого белка определяет высокий отрицательный заряд на наружной поверхности мембраны. При развитии и дифференцировке клетки остатки сиаловой кислоты служат антигенными маркерами, ассоциированными с опухолями, участвуют в процессах клеточного роста, а так же выступают носителями антигенов групп крови и других иммунологических детерминант. Структурной особенностью эритроцитарной мембраны является наличие эластичной белковой сети цитоскелета, локализованного на внутренней поверхности липидного матрикса и связанного с интегральными белками. Взаимодействие белкового цитоскелета с липидным матриксом мембраны обеспечивает ее стабильность. Белковый цитоскелет обусловливает поведение мембраны эритроцита как упругого твердого тела. Наиболее прост и вместе с тем хорошо изучен цитоскелет безъядерных эритроцитов. Основа молекулярной структуры цитоскелета – спектринактиновый комплекс, содержащий добавочные белки 4.1 и 4.9. Спектринактиновое взаимодействие обеспечивают белок полосы 4.2, аддуцин, тропомиозин, тропомодули. Основу белковой сети цитоскелета образуют молекулы спектрина. Гетеродимеры спектрина представлены α- и β-субъединицами, которые взаимодействуют друг с другом концевыми фрагментами. В результате формируется гибкий многоугольник, в углах которого локализованы молекулы актина, белков полос 4.1, 4.9, тропомиозина и кальмодулинсвязующего белка – аддуцина (рисунок 4) [17].



Рисунок 4 – Структура цитоскелета

Транспорт кислорода обеспечивается (Hb), на долю которого приходится ≈98% массы белков цитоплазмы эритроцитов (в отсутствии других структурных компонентов). Гемоглобин является тетрамером, в котором каждая белковая цепь несёт гем – комплекс протопорфирина IX с ионом 2-валентного железа, кислород обратимо координируется с ионом Fe²⁺ гемоглобина, образуя оксигемоглобин HbO₂ (рисунок 5).

Рисунок 5 – Строение гемоглобина

Особенностью связывания кислорода гемоглобином является его аллостерическое регулирование – стабильность оксигемоглобина падает в присутствии 2,3-бисфосфоглицериновой кислоты – промежуточного продукта гликолиза и, в меньшей степени, углекислого газа, что способствует высвобождению кислорода в тканях, в нём нуждающихся.

Транспорт углекислого газа эритроцитами происходит с участием карбоангидразы, содержащейся в их цитоплазме. Этот фермент катализирует обратимое образование бикарбоната из воды и углекислого газа, диффундирующего в эритроциты.
В результате в цитоплазме накапливаются ионы водорода, однако снижение pH при этом незначительно из-за высокой буферной ёмкости гемоглобина. Вследствие накопления в цитоплазме ионов бикарбоната возникает градиент концентрации, однако ионы бикарбоната могут покидать клетку только при условии сохранения равновесного распределения зарядов между внутренней и внешней средой, разделённых цитоплазматической мембраной, то есть выход из эритроцита иона бикарбоната должен сопровождаться либо выходом катиона, либо входом аниона. Мембрана эритроцита практически непроницаема для катионов, но содержит хлоридные ионные каналы, в результате выход бикарбоната из эритроцита сопровождается входом в него хлорид-аниона.