Функции плазматической мембраны

Плазматическая мембрана выполняет ряд важнейших функций. Она является барьером, с помощью которого осуществляется пространственное обособление внутреннего содержимого клетки и защита ее от внешней среды; сохраняются ионы, ферменты и другие необходимые для клетки соединения; поддерживается постоянство внутренней среды клетки. Благодаря локализованным в плазматической мембране ферментам она обладает метаболической активностью. Высокая эффективность реакций, протекающих на поверхности или внутри мембран, обусловлена сближенностью катализаторов и способностью мембран регулировать активность ферментов. От ее состояния в значительной мере зависит конформационная подвижность ферментных молекул, определяющих их переход из неактивного состояния в активное, и наоборот.

Транспортные мембранные механизмы обеспечивают поступление в клетку необходимых субстратов, регуляцию состава внутриклеточной среды, создание запасающих энергию концентрационных и электрохимических градиентов. В возбудимых клетках градиенты ионов являются источником энергии для генерации электрических сигналов и передачи информации между клетками.

Проникновение веществ через мембраны может осуществляться с помощью различных механизмов. Если перенос сопровождается уменьшением свободной энергии системы, он носит название пассивного транспорта и протекает самопроизвольно. Перенос веществ, связанный с увеличением свободной энергии, является активным. Транспорт, сопряженный с химическими и транспортным процессами, в ходе которых свободная энергия, в конечном счете, уменьшается, называется вторично-активным. И, наконец, существует механизм транспорта, заключающийся в изменении структурной целостности мембран, так называемый транспорт в мембранной "упаковке".

Передвижение веществ при пассивной диффузии происходит по градиенту концентрации и направлено в сторону более низкой концентрации. Существует три способа пассивного транспорта: простая или неспецифическая диффузия (транспортируемое вещество растворяется в липидном слое и диффундирует непосредственно через него); транспорт веществ через каналы; облегченная или опосредованная диффузия (в переносе веществ через мембрану участвуют молекулы-переносчики).

Транспорт веществ через мембраны путем растворения в липидной фазе сильно варьируют в зависимости от их размера и относительной растворимости в жирах. Как правило, чем меньше молекула и чем более она гидрофобна, тем быстрее она диффундирует через бислой. Поэтому свободно проходят через липидные мембраны неполярные, жирорастворимые вещества, а также малые нейтральные молекулы такие, как вода, газы О₂, СО₂, N₂.

Для заряженных и полярных молекул фосфолипидный бислой мембран представляет собой труднопреодолимый барьер. Тем не менее известно, что такие вещества постоянно и с большими скоростями транспортируются через природные мембраны про- и эукариотических клеток. Транспорт ряда полярных и заряженных молекул (ионов) осуществляется при участии специфических белковых систем, образующих каналы, или опосредован переносчиками.

Каналы представляют собой туннели, построенные из белковых комплексов. В полость каналов выступают полярные группы белковых молекул. Заряд и структура мест связывания иона в стенках канала определяют их избирательность, или селективность. Она выражается в том, что отдельные типы каналов облегчают транспорт одних молекул и предотвращают проникновение через мембрану других. Так, каналы, пропускающие катионы, выстланы отрицательно заряженными группами, препятствующими прохождению через них анионов. Наоборот, вдоль стенок анионного канала находятся фиксированные положительные заряды, не пропускающие катионы. Относительная избирательность каналов зависит не только от заряда, но также от размеров и степени гидратации иона.

Системами облегченной диффузии обладают плазматические мембраны клеток млекопитающих для таких жизненно важных метаболитов, как сахара, аминокислоты, пурины и глицерин. Путь этих веществ не проходит непосредственно через углеводородный скелет мембранных липидов, а осуществляется при участии специальных переносчиков белковой природы, изменяющих в процессе переноса свою конформацию.

В отличие от простой диффузии, здесь зависимость скорости переноса от концентрации транспортируемого вещества сохраняет линейность только при низких концентрациях вещества, а при дальнейшем ее увеличении скорость не изменяется, т.е. имеет место "эффект насыщения". Это явление объясняется ограниченностью числа молекул переносчика: скорость диффузии достигает максимума, когда все молекулы переносчика заняты молекулами транспортируемого вещества. Кроме того, опосредованный транспорт характеризуется высокой специфичностью, в частности стереоспецифичностью. Переносчики различают, например, Д и L изомеры сахаров и аминокислот. Следовательно, в молекуле переносчиков присутствуют специфические центры узнавания и связывания транспортируемых веществ, подобные активному центру ферментов.

Наряду с транспортом веществ по концентрационному и электрохимическому градиенту в клетках широко представлен перенос, который осуществляется против градиентов – активный транспорт или насос. Благодаря ему в живых клетках поддерживается неравновесная трансмембранная разность концентраций многих растворенных веществ. Поскольку активный транспорт постоянно потребляет энергию, он должен быть сопряжен с другим, запасающим свободную энергию процессом. В настоящее время охарактеризовано значительное число систем, в которых энергия, необходимая для работы насосов, высвобождается в ходе гидролиза макроэргических фосфатных связей АТФ.

Системы активного транспорта широко распространены как у про-, так и у эукариотических клеток и имеют огромное биологическое значение. Возможность транспортировать вещества против концентрационных градиентов позволяет клеткам извлекать питательные вещества из окружающей среды даже при крайне низкой их концентрации вплоть до полного удаления из питательных сред, в которых культивируются бактерии, или из содержимого кишечника. В нервных и мышечных клетках градиент электрохимического потенциала ионов Na⁺ и К⁺, создаваемый натриевым насосом, используется при генерации потенциала действия и в дальнейшей передаче информации в виде электрических импульсов. В невозбудимых клетках натриевый насос обеспечивает регуляцию объема клеток, сохранение стабильного осмотического давления и требуемого состава электролитов.

Молекулярный механизм выхода натрия из клетки и накопления в ней калия был выяснен в 1957 году, когда Скоу в Дании в мембранной фракции нерва краба обнаружил Mg-зависимую АТФазную активность, которая сильно стимулировалась ионами Na⁺ и К⁺. Оказалась, что эта активность подавляется в присутствии гликозида уабаина, специфического ингибитора натриевого насоса.

Фермент представляет собой олигомер, состоящий из субъединиц двух типов: большей -субъединицы и меньшей -субъединицы. В молекуле Na⁺,K⁺-ATФазы имеются специальный участок связывания ионов натрия и калия, а также гидролитический центр, расположенные в гидрофильном окружении в тех частях молекулы, которые выступают из бислоя. Центральная часть фермента, включающая 10 -спиральных участков -субъединицы и один – -субъединицы, находится в гидрофобном окружении фосфолипидов мембраны (рис.8).

Рис. 8. Строение Na⁺,K⁺-ATФазы

Транспорт ионов обеспечивается циклическими конформационными изменениями белкового комплекса, происходящими с затратами энергии. Фермент (Е) существует, по меньшей мере, в двух конформациях, различающихся по сродству к субстратам. В одной конформации, характеризующейся высоким сродством к Na⁺ (конформация Е₁), но низким – к К⁺, места связывания ионов обращены в сторону цитоплазмы. В другой форме (высокое сродство к К⁺ и – низкое к Na⁺, конформация Е₂) центры связывания направлены наружу. Фермент легко взаимодействует с АТФ, образуя фосфорилированный фермент (Е-Р, где Р-фосфорильный остаток).

На первом этапе происходит связывание на цитоплазматической стороне мембраны трех ионов натрия, взаимодействие с АТФ и образование фосфорилированной формы фермента. Фосфорилирование белка стабилизирует конформацию с низким сродством к Na⁺. Это способствует переходу EP₁—>EP₂. Синхронно с информационным переходом фермента происходит перенос ионов натрия через мембрану. В новой конформации фермента, обладающей высоким сродством к К⁺, места связывания ионов обращены во внеклеточную среду. На следующем этапе каталитического цикла связываются два иона калия, фермент дефосфорилируется и переходит в исходную форму.

Транспортная система, обеспечивающая перенос через мембрану ионов кальция против градиента, также широко распространена в клетках эукариот. Во многих клетках животных кальциевый насос поддерживает чрезвычайно низкий уровень ионов Са⁺⁺ в цитоплазме, откачивая их во внеклеточную жидкость или внутриклеточные депо, например в ЭПС. К числу процессов, контролируемых или запускаемых кальцием, относятся, в частности, секреция медиаторов в синапсах, клеточное деление, окислительное фосфорилирование, мышечное сокращение и др.

Для некоторых веществ, поступающих в клетку или выходящих из нее, отсутствуют транспортные белковые системы, и они проходят через плазматическую мембрану в особых пузырьках – везикулах. Проникновение внеклеточного материала в клетку получило название эндоцитоз, а выведение из клетки синтезированных в ней веществ - экзоцитоз. В обоих случаях перенос с помощью везикул осуществляется путем их отшнуровывания от одной мембраны и слияния с другой при активном участии ЭПС, комплекса Гольджи и лизосом.

Пиноцитоз, или разновидность эндоцитоза, при котором в клетки поступают растворенные в жидкости внеклеточные химические компоненты (белки, полисахариды, полинуклеотиды) - это универсальное явление, присущее практически всем животным клеткам. Процесс поглощения клеткой крупных частиц (бактерий, клеток, их обломков и др.), или фагоцитоз, свойствен таким специализированным клеткам, как макрофаги и нейтрофилы. У простейших фагоцитоз представляет собой форму питания клетки, а у многоклеточных организмов - ключевой механизм защиты от микроорганизмов.

Способность клеток контролировать состояние окружающей среды, отвечать на происходящие в ней изменения, а также обеспечивать взаимоотношения с соседними клетками определяют рецепторную функцию, которая осуществляется с помощью рецепторов, локализованных во внешней клеточной мембране.

Специализированные рецепторные молекулы или молекулярные комплексы содержатся в плазматических мембранах самых разных эукариотических и прокариотических клеток. С их помощью клетки связывают и переносят в цитоплазму питательные вещества, метаболиты, токсины и вирусы. В многоклеточном организме при участии рецепторов осуществляется координация работы различных клеток химическими сигналами, в качестве которых выступают нейромедиаторы и гормоны

У животных организмов в качестве сигнальных молекул выступают различные митогенные агенты, нейромедиаторы и гормоны. В клетке происходит преобразование внешних сигналов, заключающих в себе информацию в виде определенной химической структуры, во внутриклеточные. Иначе говоря, рецепторы переводят адресованные клетке химические сигналы на "язык" клетки, приводя в действие внутриклеточные пути передачи информации. К числу первичных сигналов относится и свет, рецептором для которого служит пигмент фоторецепторных клеток родопсин.

Рецепторы состоят из узнающих участков, принимающих сигналы, и из эффекторов, трансформирующих этот сигнал в определенный биологический ответ. Эффектор может быть ионным каналом, транспортной системой или ферментом. С их участием событие, происходящее вне клетки, инициирует специфические внутриклеточные процессы: передачу нервного импульса, секрецию, сокращение, рост, изменение интенсивности метаболизма и т.д. Чаще всего в ответ на сигнал клетка запускает молекулярный каскадный механизм ферментативных реакций, который для большинства клеток одинаков и, как правило, не зависит от типа сигнальной молекулы. Специфичность клеточного ответа во многом определяется типом экспрессируемого рецептора.

Другие рецепторы, определяющие адгезивные свойства клеток, отвечают за межклеточное узнавание и взаимодействие с компонентами внеклеточного матрикса. Они необходимы для регуляции морфогенетических процессов в ходе эмбрионального развития и поддержания стабильности тканей у взрослого организма.

Способность к специфическому взаимному узнаванию позволяет клеткам разных типов ассоциироваться в определенные пространственные структуры, свойственные различным этапам онтогенеза животных. При этом клетки зародыша одного типа взаимодействуют между собой и отделяются от других, отличающихся от них клеток. По мере развития зародыша изменяется характер адгезионных свойств клеток, что лежит в основе таких процессов, как гаструляция, нейруляция и формирование сомитов. У ранних эмбрионов животных, например у амфибий, адгезионные свойства поверхности клеток выражены настолько сильно, что способны восстанавливать исходное пространственное расположение клеток разных типов (эпидермиса, нервной пластинки и мезодеры) даже после их дезагрегации и перемешивания (рис. 9).

Рис. 9. Восстановление структур эмбриона после дезагрегации