Глава 4

Проницаемость и транспорт

 

 

 

Биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток, а также участвуют в формировании многочисленных внутриклеточных органелл. Они выполняют очень важные функции, обеспечивая целостность клеток и тканей и их активность. Эти функции настолько важны, всеобъемлющи и разнообразны, что мы посвятили биологическим мембранам две главы. Вначале мы рассмотрим структуру мембран и их транспортные функции, а в следующей главе остановимся на их электрических свойствах.

Наиболее очевидной функцией мембран является их участие в образовании изолированных отсеков (компартментов). Какие бы мембраны мы ни рассматривали, они всегда формируют замкнутые структуры. Самая крупная из них образована поверхностной мембраной, именуемой также клеточной мембраной, плазматической мембраной или плазмалеммой. Этот компартмент содержит цитозоль (жидкая часть цитоплазмы) и все клеточные органеллы и включения – митохондрии, везикулы, ядро и ретикулум; многие из них имеют субкомпартменты, отделенные от цитозоля своей собственной поверхностной мембраной. Мембраны играют роль барьеров, препятствующих свободной диффузии различных веществ. Благодаря этому при участии метаболических механизмов мембраны регулируют суммарный перенос различных веществ и соответственно их концентрацию в клеточном или субклеточных компартментах. Наличие концентрационных градиентов означает, что мембраны принимают активное участие в перераспределении веществ между компартментами. Действительно, клеточная мембрана осуществляет очень тонкую регуляцию в цитоплазме концентрации растворенных ионов и других молекул, благодаря чему устанавливается состав внутриклеточной среды, наиболее благоприятный для протекания сбалансированных метаболических реакций.

Участие в компартментализации – это только одна из функций мембран. В число других функций входят: 1) связывание внеклеточных химических эффекторов рецепторными поверхностными молекулами, что в свою очередь активирует регуляторные белки в мембране; 2) ферментативная активность, осуществляемая молекулами ферментов, встроенными в мембрану (например, превращение АТР в циклический аденозинмонофосфат); 3) окисление сукцината; 4) транспорт электронов и фосфорилирование в дыхательной цепи; 5) ферментативные процессы сборки секретируемых продуктов в мембранах аппарата Гольджи; 6) преобразование внешних стимулов в электрические сигналы; 7) проведение биоэлектрических импульсов; 8) высвобождение синаптических нейромедиаторов и пиноцитоз.

Еще в 30–х годах наличие дифференцированной мембранной структуры на поверхности клетки представлялось далеко не бесспорным. Поскольку в то время прямые морфологические данные о существовании биологических мембран были весьма немногочисленными или вообще отсутствовали, опираться можно было только на физиологические исследования. Первые указания на лимитирующие диффузию свойства клеточной поверхности были получены в середине XIX в. Карлом Вильгельмом Нагели, который отметил, что клеточная поверхность является барьером для свободной диффузии красителей внутрь клетки из внеклеточной жидкости, и предположил, что существует некая плазматическая мембрана. Он обнаружил также, что клетки набухают в разбавленных растворах и сжимаются в концентрированных, т. е. проявляют осмотические свойства. Позднее Вильгельм Пфеффер провел параллель между осмотическими свойствами искусственных полупроницаемых мембран и свойствами живых клеток; это послужило дополнительным доказательством того, что живые системы подчиняются законам физики и химии.

Используя эритроциты в качестве осмометров (индикаторов осмотического давления), Эрнст Овертон в конце XIX в. выявив тесную взаимосвязь между растворимостью вещества в липидах и его способностью проникать сквозь клеточную мембрану: чем больше эта растворимость, тем меньший осмотический эффект вещество оказывает. Овертон совершенно правильно объяснил этот факт тем, что благодаря высокой растворимости в липидах данное вещество быстро проникает через клеточную мембрану. Как только оно оказывается внутри клетки, осмотический градиент уменьшается и наблюдаются меньшая потеря воды и сжатие клетки, чем в присутствии не проникающего через мембрану вещества в той же концентрации. Эти данные явились первым свидетельством того, что мембраны содержат значительное количество липидов.

Морфологические данные о существовании клеточной мембраны были получены только после разработки методов приготовления ультратонких срезов тканей, фиксированных химическими методами для проведения электронно–микроскопических исследований. На поверхности самых разных клеток был четко виден непрерывный слой (рис. 4–1), который связывал электроноплотные контрастирующие вещества сильнее, чем свободная цитоплазма. Толщина мембраны составляла от 6 до 12 нм.

Тонкая структура поверхности мембран была исследована позднее с помощью метода замораживания–скалывания (см. рис. 4–10).

 

Рис. 4.1. Электронная микрофотография поперечного среза плазматической мембраны. Содержимое клетки (внизу справа,) отделено от внеклеточного пространства поверхностной мембраной — трехслойной структурой (темный, светлый, темный слои) толщиной около 10 им. Такой вид структуры на фотографии обусловлен дифференциальным контрастированием электроноплотными веществами при подготовке препарата ткани. (Robertson, I960.)