Биологические мембраны

1. Строение, химический состав и функции мембран

Особая роль из всех клеточных органоидов отводится цитоплазматической мембране. Особенно ее структуре. Мембраны окружают различные органоиды и делят клетку как бы на отдельные отсеки. Они, с одной стороны, разобщают клеточную структуру, так как пропускают только часть веществ, а с другой стороны связывают органоиды клетки, так как являются путями обмена веществ между ними. Таким образом, с помощью сложной системы мембран клетка осуществляет свою биологическую деятельность.

Мембраны служат регуляторами процессов жизнедеятельности, пропускают в клетку полезные вещества и выводят наружу продукты обмена.

Основные компоненты мембран – это белки и липиды.

Особенность липидной молекулы является то, что она состоит из двух частей: длинных неполярных (не имеющих заряда) «хвостов» и полярной (электрически заряженной) «головки». Липиды способны взаимодействовать с белками своими полярными группами – в этом случае их молекулы связывают между собой силы электрического притяжения зарядов. Таким образом, образуется что-то вроде бутерброда: сверху и снизу – два «ломтя» белка, а в середине липиды н аподобие масла (рисунок 2). Такая модель называется бутербродной. Она была предложена в 1931 году американскими учеными Даниелли и Девсоном. Сначала эта модель представлялась привлекательной, так как она хорошо объясняла особенности проницаемости клеточных мембран.

Но с развитием науки появляются факты, которые противоречат «бутербродной» модели, в частности, ее универсальности. Если бы все мембраны были бы построены по единому принципу, то они содержали бы примерно одинаковое количество белков и липидов. Но это оказалось не так. Другой факт – мембраны не распадались на белки и липиды при добавлении солей. А в присутствии солей ослабляется электрическое взаимодействие между белками и липидами. Именно на этом и основана бутербродная модель.

Т акое поведение мембран попытались объяснить с помощью другой модели – липопротеинового ковра (рисунок 3).

Согласно этой модели липиды и белковые нити тесно переплетаются в ковер из белков и липидов и удерживаются не электростатическими силами, а при помощи гидрофобного взаимодействия. Но и эта модель оказалась не совершенной. Оказалось, что из многих мембран можно извлечь при помощи органических растворителей большое количество липидов, но при этом мембрана не разрушается и даже не теряет своей толщины, что должно было бы произойти с липидно-белковым ковром. Это объясняется с позиций третьей модели – мозаичной (рисунок 4).

Согласно этой модели мембрана состоит из белков, пространство между которыми заполнено липидными молекулами. При таком устройстве мембраны частичное извлечение липидов не должно повлиять на целостность белковых глобул. В соответствии с мозаичной моделью все присутствующие в мембране белки делятся на два типа.

Первый тип – периферические белки – это белки, которые прикреплены к наружной поверхности с помощью электростатических сил. Второй тип – интегральные белки – белковые глобулы, которые плавают в липидном море подобно айсбергам таким образом, что одна часть глобулы погружена в мембрану, а другая в водную среду – клеточный сок. Некоторые из белков второго типа могут пронизывать мембрану насквозь – это прошивающие белки.

Айсберги из белков не всегда могут плавать свободно в липидном море, они могут быть зацеплены за внутренние структуры.

Такие белки называются цитоплазматическими.

Мембраны оказывают большое влияние на биохимические процессы, которые протекают внутри клетки путем изменения активности ферментов. Например, некоторые ферменты активны только тогда, когда они прикреплены к мембране, другие, наоборот, в этом состоянии не активны, а проявляют свою активность, только когда «плавают» в липидном море.

Мозаичная модель является усовершенствованной и объясняет проникновение растворимых веществ в клетку.

При помощи мембран происходит поступление веществ из окружающей среды, и отводятся продукты жизнедеятельности. Например, сахара проникают при помощи белков – пермеаз, которые плавают в липидном море.

Через такую мембрану и происходит обмен между клеткой и окружающей средой. Особенно важны эти процессы при рассмотрении методов консервирования, когда клетка попадает в различные концентрированные среды (сахар, соль), либо подвергается внешним воздействиям (нагреванию, охлаждению).