2. Строение и функции биологических мембран

Структура. Толщина биомембран не превышает 6-10 нм. Согласно жидкостно-мозаичной гипотезе строения биологических мембран основу мембраны составляет двойной слой фосфолипидов с некоторым количеством других липидов (галактолипидов, стерршов. жирных кислот и др.), причем липиды повернуты друг к другу своими гидрофобными конца­ми. Участки молекул полярных липидов, образованные очень часто ненасыщен­ными жирными кислотами, и стерины обеспечивают несколько разрыхленное (жидкое) со­стояние бислоя. Полярной частью молекула фосфолипида хорошо взаимодействует с водной средой. Кратная связь в довольно длинный неполярном «хвосте» фосфолипидов находится в цис-конфигурации, поэтому «ножка» не прямая, а как бы изогнутая.

Если образец фосфолипида размешать в водной среде, образуются так называемые мицел­лы построенные так, что полярные головы обращены в водный слой, а непо­лярные хвосты – внутрь мицеллы. В определенных условиях можно получить липосомы, со­стоящие из бислоя липидов и очень напоминающие клетку, только в миниатю­ре. У липосом имеется внутреннее пространство, практически изолированное от внешней сре­ды вследствие того, что структура липосомы чрезвычайно стабильна. Способность некоторых липидов к «самосборке» в двойные слои является очень важным свойством, имеющим ре­шающую роль в построении клеточных мембран.

Наружная и внутренняя стороны биологических мембран обращены в качественно разные гидрофильные среды. Это является причиной асимметричного строения мембран – в наруж­ном слое плазмалеммы содержится больше стеринов и гликолипидов.

Липиды, входящие в состав мембранного бислоя, не закреплены жестко, а непрерывно ме­няются местами. Перемещения липидных молекул бывают двух типов:

1) в пределах своего монослоя (латеральная диффузия):

2) путем перестановки двух липидных молекул, противостоящих друг другу в двух моно­слоях («флип-флоп»).

При латеральной диффузии молекулы липидов претерпевают миллионы перестановок в секунду, а скорость ее составляет 5–10 мкм/с. Перестановки молекул липидов из одного мо­нослоя в другой происходят значительно реже, но могут ускоряться мембранными белками.

В состав мембран входят разные в функциональном отношении белки: белки-ферменты, белки, выполняющие функции насосов, переносчиков, ионных каналов, белки-регуляторы и структурные белки.

Если такие специализированные протеиновые комплексы :

– погружены в липидную фазу и удерживаются гидрофобными связями (липопротеины), их называют «интегральные белки»:

– удерживаются на внутренней и внешней поверхностях мембран электростатическими связями (гидрофильные белки), взаимодействуя с гидрофильными головками полярных липи­дов, то их называют «периферийные белки».

Три класса транспортных белков:

1 — белковый канал; 2 — переносчик; 3 — помпа

Периферийные белки ассоциированы с мембраной за счет присоединения к интегральным белкам или липидному бислою слабыми связями: водородными, электростатическими, соле­выми мостиками. Они в основном растворимы в воде и легко отделяются от мембраны без ее разрушения. Некоторые периферийные белки обеспечивают связь между мембранами и цитоскелетом.

Интегральные белки мембран нерастворимы в воде. Как минимум один из доменов инте­грального белка встроен в гидрофобную часть бислоя мембраны, поэтому интегральный бе­лок, как правило, не может быть удален из мембраны без ее разрушения. Интегральные бел­ковые глобулы располагаются в фосфолипидных слоях мембран ориентированно. Определенные участки липопротеиновых глобул (участки узнавания) служат для самосборки по­лиэнзимных мембранных комплексов. На положение белков в мембране оказывают влияние состав фосфолипидов (свободных и связанных), величина электростатического заря­да мембраны.

В последнее время показано существование третьей группы белков, так называемых «зая­коренных» в мембране белков. Эти белки фиксируются в мембране за счет специальной моле­кулы, в качестве которой могут выступать жирная кислота, стерин. изопреноид или фосфатидилинозитол. Белки, связанные с изопреноидами (пренилированные белки) или жирной кислотой, обратимо соединяются с эндоплазматической (внутренней) поверхностью мембраны. В отличие от этих двух групп белков фосфатидилинозитол-связанные белки находятся с внешней (экстрацеллюлярной, или люменальной) стороны мембраны.

Функциональная активность мембран и изменения мембранного потенциала сопро­вождаются всплыванием или погружением субъединиц, их латеральными перемещениями.

Особенностью липидного состава плазмалеммы по сравнению с другими мембранами рас­тительной клетки является высокое содержание стеринов, но в отличие от плазматической мембраны животной клетки для плазмалеммы характерна высокая вариабельность их состава в зависимости от вида растения, органа и ткани.

Функции мембран

1) Структурная функция. У эукариотической клетки в отличие от прокариотической множество внутренних отсеков (компартментов), окруженных мембранами, и различаю­щихся по степени активности содержащихся в них химических соединений и систем, регули­рующих их превращения. Компартменты эукариотической клетки называются органеллами. Таким образом, клеточные мембраны выполняют функцию расчленения биохимических про­цессов, разделения их между различными компонентами протоплазмы и пространственного размещения в объеме клетки фондов метаболитов и ферментов.

Одномембранные структурные компоненты клеток: плазмалемма, эндоплазматический ретикулум, комплекс Гольджи, лизосомы, вакуоль.

Двухмембранные структурные компоненты клеток: ядро, митохондрии, пластиды.

2) Барьерная функция. Для клеток и субклеточных частиц мембраны служат механическим барьером, отделяющим их от внешнего пространства.

3) Контроль поглощения и секреции веществ (транспортная функция). В плазмалемме находятся множество транспортных систем, прежде всего для транспорта ионов, – ионные каналы, ионные переносчики и ионные насосы. Благодаря им осуществляется очень точный и селективный транспорт ионов как внутрь клетки, так и наружу, т.е. оптимальное снабжение клетки необходимыми ионами.

Через плазмалемму происходит также перенос макромолекул. Так, в периплазматическое пространство транспортируются строительные блоки клеточной стенки – полисахариды и структурные белки. Эти соединения обычно находятся в везикулах аппарата Гольджи и вы­свобождаются из них путем экзоцитоза.

4) Аккумуляция и трансформация энергии. Плазмалемма любой клетки является энергизованной мембраной, т.е. на ней существует градиент электрохимического потенциала Δμ_Н+, который используется для выполнения полезной работы, прежде всего для активного перено­са веществ через мембрану. В хлоропластах зеленых растений энергия света трансформируется в энергию NADH и АТР, а в конечном счете – в стабильную энергию химических связей сахаров, органических кислот, аминокислот.

5) Размещение и обеспечение работы ферментов. В плазмалемме находится множество ферментов. Это ферменты построения клеточной стенки (целлюлозосинтетаза). ферменты сигнальных систем (фосфолипазы С, А; аденилатциклаза) и ряд другах ферментов (например, цитохром b₅).

6) Рецепторная функция. Плазмалемма клетки – это мозаика различных рецепторов эн­догенных сигналов (прежде всего фитогормонов) и внешних воздействий. К последним отно­сятся рецепторы элиситоров (веществ, выделяемых патогенами) и рецепторы физические факторов – температуры, давления и др. Температура изменяет жесткость (текучесть) мем­браны, т.е. ее механические свойства. Изменение этих свойств плазмалеммы приводит к от­крытию или закрытию находящихся в ней механосенсорных ионных каналов. Таким образом, плазмалемма является местом рецепции (восприятия) различных сигналов химической и фи­зической природы.

7) Сигнальная функция. Многие компоненты плазмалеммы после восприятия сигналов служат источником вторичных мессенджеров – молекул, которые «передают» сигнал по эс­тафете и усиливают его. В качестве вторичных мессенджеров выступают инозитол-1,4,5-трифосфат. диацилглицерин. фосфатидная кислота, продукты перекисного окисления липи­дов мембран. Все эти соединения образуются из липидов плазмалеммы под действием специ­альных ферментов, активируемых в результате воздействия сигнала на рецепторы. Таким об­разом, плазматическая мембрана является местом не только рецепции сигналов, но также их усиления и дифференцирования.

Транспорт веществ через плазмалемму

Перенос веществ через мембрану может идти пассивным и активным путем. При пассив­ном поступлении веществ через мембрану основой переноса является диффузия. Скорость диффузии зависит от толщины мембраны и от растворимости вещества в липидной фазе мем­браны. Поэтому неполярные вещества, которые растворяются в липидах (органические и жир­ные кислоты, эфиры), легче проходят через мембрану. Однако большинство веществ, которые важны для питания клетки и ее метаболизма не могут диффундировать через липидный слой и транспортируются с помощью белков, которые облегчают проникновение воды, ионов, Саха­ров, аминокислот и других полярных молекул в клетку. В настоящее время показано сущест­вование трех типов таких транспортных белков: каналы, переносчики, помпы.

Каналы – это трансмембранные белки, которые действуют как поры. Иногда их называют селективными фильтрами. Транспорт через каналы, как правило, пассивный. Специфичность транспортируемого вещества определяется свойствами поверхности поры. Как правило, через каналы передвигаются ионы. Скорость транспорта зависит от их величины и заряда. Если пора открыта, то вещества проходят быстро. Однако каналы открыты не всегда. Имеется механизм «ворот», который под влиянием внешнего сигнала открывает или закрывает канал. Долгое время представлялась труднообъяснимой высокая проницаемость мембраны (10 мкм/с) для воды – вещества полярного и нерастворимого в липидах. В настоящее время открыты инте­гральные мембранные белки, представляющие канал через мембрану для проникновения воды – аквапорины. Способность аквапоринов к транспорту воды регулируется процессом фосфорилирования. Было показано, что присоединение и отдача фосфатных групп к определенным аминокислотам аквапоринов ускоряет или тормозит проникновение воды, но не влияет на на­правление транспорта.

Переносчики – это специфические белки, способные связываться с переносимым вещест­вом. В структуре этих белков имеются группировки, определенным образом ориентированные на наружную или внутреннюю поверхность. В результате изменения конформации белков ве­щество передается наружу или внутрь. Поскольку для транспорта каждой отдельной молеку­лы или иона переносчик должен изменить конфигурацию, скорость транспорта вещества в не­сколько раз меньше, чем происходит перенос через каналы. Показано наличие транспортных белков не только в плазмалемме, но и в тонопласте. Транспорт с помощью переносчиков мо­жет быть активным и пассивным. В последнем случае такой транспорт идет по направлению электрохимического потенциала и не требует затрат энергии. Этот тип переноса называется облегченной диффузией. Благодаря переносчикам он идет с большей скоростью, чем обычная диффузия.

Согласно представлениям о работе переносчиков, ион (М) реагирует со своим переносчи­ком (X) на поверхности мембраны или вблизи нее. Эта первая реакция может включать или обменную адсорбцию, или какое-то химическое взаимодействие. Ни сам переносчик, ни его комплекс с ионом не могут перейти во внешнюю среду. Однако комплекс переносчика с ио­ном (MX) подвижен в самой мембране и передвигается к ее противоположной стороне. Здесь этот комплекс распадается и высвобождает ион во внутреннюю среду с образованием предше­ственника переносчика (Х'). Этот предшественник переносчика снова передвигается к внеш­ней стороне мембраны, где вновь превращается из предшественника в переносчик, который на поверхности мембраны может соединиться с другим ионом. При введении в среду вещества, способного образовать прочный комплекс с переносчиком, перенос вещества блокируется. Опыты, проведенные на искусственных липидных мембранах, показали, что перенос ионов может проходить под влиянием некоторых антибиотиков, вырабатываемых бактериями и гри­бами, – иоиофоров. Транспорт с участием переносчиков обладает свойством на­сыщения, т.е. при увеличении концентрации веществ в окружающем растворе скорость по­ступлении сначала возрастает, а затем остается постоянной. Это объясняется ограниченным количеством переносчиков.

Переносчики специфичны, т.е. участвуют в переносе только определенных веществ и, тем самым, обеспечивают избирательность поступления. Это не исключает того, что один и тот же переносчик может обеспечивать перенос нескольких ионов. Например, переносчик К⁺, обла­дающий специфичностью для этого иона, также переносит Rb⁺ и Na , но не транспортирует Сl^– или незаряженные молекулы сахарозы. Транспортный белок, специфичный для нейтраль­ных кислот, хорошо переносит аминокислоты глицин, валин, но не аспарагин или лизин. Бла­годаря разнообразию и специфичности белков осуществляется избирательная их реакция с веществами, находящимися в среде, и, как следствие, их избирательный перенос.

Насосы (помпы) – интегральные транспортные белки, осуществляющие активное поступ­ление ионов. Термин «насос» показывает, что поступление идет с потреблением свободной энергии и против электрохимического градиента. Энергия, используемая для активного по­ступления ионов, поставляется процессами дыхания и фотосинтеза и в основном аккумулиро­вана в АТФ. Как известно, для использования энергии, заключенной в АТФ. это соединение должно быть гидролизовано по уравнению АТФ + НОН —► АДФ + Ф_н. Ферменты, осуществ­ляющие гидролиз АТФ, называются аденозинтрифосфатазы (АТФазы). В мембранах клеток обнаружены различные АТФазы: К⁺/Ка⁺-АТФаза; Са²⁺- АТФаза; Н⁺-АТФаза. Н⁺-АТФаза (Н⁺-насос или водородная помпа) является основным механизмом активного транс­порта в клетках растений, грибов и бактерий. Н⁺- АТФаза функционирует в плазмалемме и обеспечивает выброс протонов из клетки, что приводит к образованию электрохимической разности потенциалов на мембране. Н⁺-АТФаза переносит протоны в полость вакуоли и в цистерны аппарата Гольджи.

Расчет показывает, что для того, чтобы 1 моль соли диффундировал против градиента кон­центрации, необходимо затратить около 4600 Дж. Вместе с тем при гидролизе АТФ выделяет­ся 30660 Дж/моль. Следовательно, этой энергии АТФ должно хватить для транспорта не­скольких моль соли. Имеются данные, показывающие прямо пропорциональную зависимость, существующую между активностью АТФазы и поступлением ионов. Необходимость молекул АТФ для осуществления переноса подтверждается еще и тем, что ингибиторы, нарушающие аккумуляцию энергии дыхания в АТФ (нарушение сопряжения окисления и фосфорилирования), в частности динитрофенол тормозят поступление ионов.

Насосы делят на две группы:

1) электрогенные, которые осуществляют активный транспорт иона какого-либо одного заряда только в одном направлении. Этот процесс ведет к накоплению заряда одного типа на одной стороне мембраны;

2) электронейтральные, при которых перенос иона в одном направлении сопровождается перемещением иона такого же знака в противоположном либо перенос двух ионов с одинако­выми по величине, но разными по знаку зарядами в одинаковом направлении.