2.2. Мембрани мікробних клітин. Цитоплазматична мембрана.

Клітина будь-якого організму містить різні мембрани, що розрізняються морфологічно та функціонально. Безпосередньо під клітинною стінкою розміщена цитоплазматична мембра­на {плазматична мембрана, плазмалема).

Ця мембрана покриває цитоплазму. У житті клітини вона має велике значення, виконуючи роль не тільки структурного морфологічного компонента. Мембрана є осмотичним бар'єром організму, який регулює осмотичний тиск всередині клітини. Через мембрану здійснюється вибірковий транспорт поживних речовин із середовища в клітину та вихід із неї продуктів обмі­ну — метаболітів. Мембрана є місцем, де відбувається синтез дея­ких клітинних структур, зокрема клітинної стінки та капсули. У мембрані локалізований і з мембраною асоційований ряд фер­ментів (ферменти перенесення електронів та окисного фосфорилювання, які в еукаріот містяться в мітохондріях, у бактерій лока­лізовані всередині чи на поверхні плазматичної мембрани; ком­поненти електрон-транспортного ланцюга — дихального ланцю­га — містяться тільки в мембранах). У мембрані міститься весь фотосинтетичний апарат у пурпурових бактерій. Цілком можли­во, що на мембрані локалізується центр реплікації ДНК.

Мембрани можна виділити, якщо піддати осмотичному тиску протопласти, одержані за допомогою лізоциму. Мембра­на багата на ліпіди, особливо фосфоліпіди (табл. 2.1.). Маючи у складі всього 8-15 % сухої речовини клітини, мембрани міс­тять 70-90 % усіх її ліпідів. За своєю будовою мембрани мікробних, рослинних і тва­ринних клітин дуже подібні. Це дає підставу говорити про уні­версальну "елементарну мембрану".

Класичною, однією з перших моделей будови мембран, була модель Даніеллі—Даусона—Робертсона. Мембра­на складається з подвійного шару ліпідів, що міститься між тон­кими шарами білка. Внутрішній шар мембрани складається з ліпі­дів, у яких, як відомо, є полярний кінець (гідрофільний), здат­ний до іонізації, та неполярний (гідрофобний), що за своєю хіміч­ною природою являє собою вуглеводневий ланцюг. Ліпіди в мемб­рані орієнтовані вуглеводневими кінцями один до одного, поляр­ними кінцями — назовні, тобто утворюють подвійний шар (бімоле-

кулярний шар). З полярними кінцями стикується мономоле­кулярний шар неліпідної природи. Здебільшого це білок.

Вперше припущення про те, що в мембрані присутні біл­ки, було висловлено англійськими вченими Дж.Ф. Даніеллі та X. Даусоном у 1935 р. для пояснення низького поверхневого натягу клітинних мембран. Оскільки на межі поділу масло— вода повинен виникати великий поверхневий натяг, ці вчені прийшли до висновку, що гідрофобність ліпідних компонентів повинна компенсуватись якимсь гідрофільним білком. У 1959 р. на основі робіт американського вченого Дж. Д. Робертсона (за допо­могою електронної мікроскопії було виявлено два електронощільних шари мембрани, розділених менш щільною ділянкою) була сформульована гіпотеза елементарної мембрани. Наявність електронощільних зовнішніх шарів мембрани

Таблиця 2.1. Склад мембран деяких бактерій

пояснювалась тим, що з гідрофільними поверхнями, що утворюються ліпідними моле­кулами, зв'язаний білок. Але проти цієї моделі свідчили резуль­тати електронно-мікроскопічних досліджень препаратів мем­бран, які були одержані методом заморожування-сколювання: виявилось, що білкові молекули розміщуються не тільки на поверх­ні мембрани, а є і такі, що пронизують її наскрізь. Рідинно моза­їчна модель структури мембрани була запропонована у 1972 р.

Г. Ніколсоном та С.Д. Сінгером (рис. 2.6). Згідно з цією модел­лю, що

отримала в наш час загальне визнання, білки можна уявити як айсберги, що плавають у ліпідному морі.

Рис. 2.6. Рідинно-мозаїчна модель плазматичної мембрани Ніколсона—Сінгера.

У подвійний шар ліпідів занурені інтегральні білки. Перифе­рійні білки розміщені на поверхні мембрани

Мембранні білки. Існують два типи мембранних білків: Інтегральні та периферійні (див. рис. 2.6).

Периферійні білки легко вимиваються з мембрани м'яки­ми детергентами або навіть дистильованою водою, вони зв'язані з поверхнею мембрани. На відміну від периферійних інтегральні білки пронизують товщу мембрани наскрізь. Як правило, інтег­ральні білки перебувають у комплексі з ліпідами. Білки цих двох типів повинні різнитись між собою за розміщенням гідрофоб­них амінокислотних залишків. Поверхня периферійних білків гідрофільна (ці білки розчинні у воді), а гідрофобні амінокис­лотні залишки занурені всередину білкової глобули. В інтеграль­них білках гідрофобні залишки локалізовані на поверхні, забез­печуючи максимальну взаємодію з неполярним середовищем всередині мембрани. Проте у деяких інтегральних білків полярні групи теж розміщені на поверхні і взаємодіють з полярними групами ліпідів і з периферійними білками.

За біологічними функціями мембранні білки умовно поді­ляються на три групи:

з притаманною ферментативною активністю;

специфічно зв'язують різні речовини, необхідні для клі­тини, тобто білки, яким притаманна рецепторна функція (білки-пермеази);

структурні, але вони хімічно мало досліджені. Відомо, що всі вони слабкорозчинні у воді із-за наявності великих гідрофоб­них ділянок. Це створює умови для утворення міцних структур з ліпідами — ліпопротеїдів.

Мембранні вуглеводи. Вільних вуглеводів у клітинних мемб­ранах мало, більшість вуглеводних залишків входить до складу гліколіпідів і глікопротеїдів. В їх складі виявлені одні й ті самі моносахариди: галактоза, глюкоза, N-ацетилглюкозамін, N-ацетилгалактозамін, фукоза, маноза, ксилоза.

Ліпіди мембран. Ліпіди представлені в основному фосфоліпідами та гліколіпідами. З фосфоліпідів найчастіше у бакте­рій зустрічаються фосфатидилгліцерин і фосфатидилетаноламін. Фосфатидилхолін, фосфатидилінозит зустрічаються рідше. Фосфоліпіди містять у своїй молекулі фосфор, зв'язаний двома ефір­ними зв'язками. До складу фосфоліпідів входить один спільний компонент — гліцерин, з яким з'єднані ефірним зв 'язком дві жир­ні кислоти з довгим ланцюгом, а також фосфорвмісна сполука. Наявність двох неполярних залишків жирних кислот у складі мембранних структур є їх характерною особливістю. У бактері­альних культур ліпіди, у тому числі й фосфоліпіди, містять пере­важно насичені жирні кислоти (хоча є і ненасичені). Присутні в мембранах і жирні кислоти з розгалуженим ланцюгом (особ­ливо у сарцин і мікрококів).

Вважається, що однією з ознак, які відрізняють бактері­альні ліпіди від ліпідів інших мікроорганізмів, є відсутність сте­ринів у бактерій.

Крім ліпідів, що містять гліцерин, у деяких сполуках присут­ній етиленгліколь. Такі ліпіди називають диольними. У великих концентраціях диольні ліпіди руйнують мембрани. Але в дуже обмежених кількостях вони лише змінюють їх властивості, наприк­лад, підвищують проникність для невеликих іонів і молекул. Оче­видно, клітини використовують цю властивість. Так, у період швид­кого росту вони інтенсивно синтезують диольні ліпіди. Коли ріст сповільнюється, синтез диольних ліпідів припиняється.

Гліколіпіди є вуглеводними похідними ліпідів.

У структуру мембран входять також іони двовалентних металів. Передбачається, що вони утворюють з фосфоліпідами хелатні комплекси і тим самим надають мембрані необхідної міцності за рахунок більшої компактності.