5.2. Структурна організація біомембран

П

Рис. 5.2. Моделі структурної організації клітинних мембран: 1 – амфіфільні ліпіди; 2 – фібрилярні гідрофобні білки; 3 – глікопротеїни; 4 – вуглеводи

ерша модель будови клітинних мембран була запропонована в 1931 р. Л. Даніелі й Г. Доусоном (рис. 5.2). Згідно з їх уявленнями, клітинна мембрана складається з подвійного шару ліпідів, покритого з внутрішнього і зовнішнього боків шаром білків. Така модель отримала назву подвійного бутерброда, складеного “маслом” усередину, а “хлібом” – назовні. Вибіркова проникність мембран для окремих гідрофільних речовин пояснювалася цим, що в бімолекулярному ліпідному шарі є розриви або пори, вистелені шаром білкових молекул, через які можуть проходити водорозчинні сполуки.

Свого часу були запропоновані й інші моделі мембран — модель ліпідно-білкового килимка (Бенсон, 1965; Грін, 1966), за якою білки й ліпіди переплетені між собою, і мозаїчна модель, яка враховує неоднакове розміщення білків у ліпідному шарі. В основі сучасних уявлень лежить рідинно-кристалічна (мозаїчна) концепція, висунута С. Сінгером і Дж. Нікельсоном у 1972 р. й удосконалена С. Сінгером у 1981 р.

Ці автори вважали, що зверху мембрана має мозаїчний вигляд, зумовлений полярними головками ліпідів, поверхневими і внутрішніми білками. У фізіологічних умовах ліпіди перебувають у рідкому стані й формують "ліпідне озеро", в якому вільно плавають, як айсберги, внутрішні білки з частиною міцно-зв'язаних (анулярних) ліпідів, подібних до кристалічних структур. Рідкий стан ліпідів забезпечує їх високу рухомість і надає мембрані великої динамічності.

5.2.1. Рідинно-мозаїчна модель біомембран. У даний час загальноприйнятою є рідинно-мозаїчна модель будови мембран. Згідно з даною моделлю основу мембран становить ліпідний бішар, в який занурені молекули білків, нековалентно пов'язані з ліпідами (рис.5.3).

Рис.5.3. Рідинно -мозаїчна модель мембранної структури

Якщо дивитися на таку мембрану зверху, то вона має мозаїчність, утворену полярними "головками" ліпідів і білками. Всі клітинні мембрани є динамічними структурами. Найбільш рухливими компоненти в них є ліпіди. Положення молекул ліпідів у мембранах впорядковано, проте вони здатні дифундувати в межах одного моношару паралельно поверхні мембрани (латеральна дифузія) з швидкістю до 2 мкм за 1 с, здійснювати обертальні і коливальні рухи. З меншою швидкістю вони можуть перейти з одного моношару в інший («фліп-флоп»- перескок).

Ліпіди здатні утворювати впорядковані ділянки - кластери, в яких всі молекули мають однаковий кут нахилу, і щільність упаковки молекул може істотно відрізнятися від сусідніх з ними ділянок. Тривалість життя кластерів порядку 10^-6 - 10^-7 с, а кількість молекул від декількох десятків до декількох сотень.

Для молекул білків також характерні латеральні, коливальні і обертальні рухи, однак вони не можуть перейти з одного боку бішару на інший. Деякі білки майже так само рухливі як ліпіди, інші - практично нерухомі. Рухливість білка визначається не тільки його властивостями, але також фазовим станом ліпідів. Переміщення ліпідів у мембрані має фізіологічне значення, наприклад, при заміні старих фосфоліпідних молекул. Але заміна ненасичених фосфоліпідів на насичені при деяких патологічних станах призводить до надмірного утворення щільних кристалічних структур, що знижує проникність мембран. Так само небажаним є надмірне розрідження мембран.

Ліпідний бішар може знаходитися в рідинному (рідинно-кристалічному) невпорядкованому або кристалічному (твердому) впорядкованому стані. Перехід від одного стану до іншого або фазовий перехід визначається ліпідним складом мембран. Наявність великої кількості насичених жирних кислот призводить до впорядкованого кристалічного стану мембрани і підвищує температуру переходу до невпорядкованого рідкого стану. Наявність подвійних зв'язків в цис-конфігурації призводить до появи вигинів в ланцюгах, що утруднює їх взаємодію, підвищує текучість бішару і знижує температуру фазового переходу.

Важливим регулятором фазових переходів мембран є холестерин, включення якого призводить до утворення станів з проміжною текучістю. Якщо бішар знаходиться в рідкому стані, то холестерин переводить його у впорядкований стан, створюючи перешкоду для переміщення ацильних ланцюгів; кристалічну структуру мембрани холестерин переводить в невпорядкований стан, вбудовуючись між ацильними ланцюгами. Текучість мембрани сильно впливає на її функціонування. При збільшенні текучості мембрани ослабляються її бар'єрні властивості і вона стає більш проникною для невеликих молекул. Вважається, що більшість мембран в живих організмах знаходиться в проміжному (між рідким і твердим) стані.

Важливою властивістю мембран є асиметрія. Для мембран характерна асиметрія функціональних і обмінних процесів, що забезпечується асиметричним розподілом їх компонентів. Наприклад, в плазматичній мембрані еритроцитів приблизно 80% сфінгомієлінів і велика кількість фосфатидилхолінів локалізована в зовнішній частині бішару, а всі фосфатидилсерини і 80-85% фосфатидилетаноламінів - у внутрішній. Холестерин переважає у зовнішньому моношарі мембрани. Білки, які беруть участь в процесах розпізнавання і рецепції, розташовуються в зовнішньому моношарі, а більшість ферментів - у внутрішньому. Вуглеводні компоненти знаходяться на зовнішній поверхні, іноді утворюють суцільне покриття - глікокалікс. Все це характеризує поперечну асиметрію мембран.

5.2.2. Хімічний склад біологічних мембран. Біологічні мембрани є високоорганізовані структури товщиною 6-10 нм, які складаються з білків і ліпідів, що оточують клітину або субклітинні структури.

Основні біологічні компоненти мембран - ліпіди (40 %) і білки (50 %). Крім цього, в них містяться вуглеводи (2-10 %), зв'язана вода (30 % від всієї маси) і в деяких мембранах сліди РНК (до 0,1 %). Відносні кількості ліпідів і білків значно змінюються: наприклад, в мієліновій мембрані ліпіди становлять 75 % і 25 % - білки, а у внутрішній мембрані мітохондрій ліпіди – 25 % і 75 % припадає на білки. Вуглеводи присутні лише як складові частини білків (глікопротеїнів) і складних ліпідів (гліколіпідів). Нуклеїнові кислоти в невеликій кількості асоційовані з мембранами, але в склад мембранних структур не включаються. Вода становить 20 % від мембранного матеріалу, а відношення білок/ліпід у залежності від виду мембран коливається від 0,25 (клітини мієлінової оболонки) до 3,0 (мітохондріальні мембрани).

5.2.3. Функції мембран. 1. Розмежувальна – мембрани розмежовують внутрішні поліклітинні та міжклітинні простори.

2. Інтегральна або об’єднуюча. Вони об’єднують окремі біологічні процеси в єдине структурне ціле: є своєрідними комунікаціями між окремими ділянками клітин.

3. Транспортна – беруть участь у перенесенні речовин між різними просторами клітин і позаклітинним середовищем.

4. Осмотична. Біомембрани здійснюють концентрування речовин (наприклад, іонів натрію і калію) між клітинним і позаклітинним просторами.

5. Електрична. З участю мембрани створюється нерівномірний розподіл зарядів з обох її боків, що призводить до виникнення електричних потенціалів.

6. Енерготрансформуюча - забезпечення трансформування електричної та осмотичної енергії в хімічну енергію АТФ.

7. Рецепторна. Мембрана сприймає сигнали із навколишнього середовища за рахунок наявності на її поверхні спеціальних білків-рецепторів, після цього сприйнятий сигнал передається всередину клітини.

8. Регуляторна - участь в утворенні внутрішньоклітинних регуляторів обміну речовин – 3,5-цАМФ і 3,5-цГМФ.

9. Метаболічна. Ферменти мембран необхідні для різних перетворень як природніх, так і чужорідних речовин.

10. Антигенна. Глікопротеїни клітинних мембран визначають їх властивість викликати утворення специфічних антитіл.

11. Адгезивна. Адгезія або контакт із іншими клітинами залежить від пізнавальних зон, які містять вуглеводні компоненти.

5.2.4. Міжклітинні взаємодії. Для цього, щоб функціонувати як ціле і координувати свою життєдіяльність, сусідні клітини однієї тканини повинні взаємодіяти одна з одною. Це досягається за допомогою так званих щілинних контактів, які регулюють обмін іонами і молекулами між клітинами. У місцях цих контактів утворюються пори, які з’єднують цитоплазму сусідніх клітин. Ці пори формуються з субодиниць і відповідні структури називаються конексонами. Останні складаються з шести білкових субодиниць, які пронизують мембрану і пов'язані з конексонами сусідніх клітин так, що утворюється канал, які з'єднує внутрішній простір двох клітин. Відкриття або закриття внутрішнього каналу відбувається внаслідок ковзання субодиниць одна відносно одної.

Клітини підтримують зв’язок одна з одною трьома способами:

1. Вони виділяють хімічні речовини, які передають сигнали клітинам, розташованим на деякій відстані .

2. Експонують зв’язані з плазматичною мембраною сигнальні молекули, які безпосередньо впливають на інші клітини.

3. Утворюють щілинні контакти, які з’єднують цитоплазму двох клітин.

Розрізняють три типи клітинних контактів:

1.Адгезійні контакти, які механічно зміцнюють клітини.

2. Замикаючі контакти, які не тільки механічно зв’язують клітини, але й створюють неможливість проходження між ними молекул.

3. Провідні контакти, які пропускають малі молекули з однієї клітини в іншу.

Основний тип адгезійних контактів називається десмосомами. Провідні контакти бувають двох типів: щілинні контакти і хімічні синапси. Через щілинні контакти малі молекули можуть безпосередньо переходити з однієї клітини в іншу, а в хімічному синапсі клітини не мають безпосереднього зв’язку. “Вхідна” клітина синапсу (пресинаптична) виділяє речовину (нейромедіатор), яка дифундує через синаптичну щілину і викликає реакцію іншої, постсинаптичної клітини.

5.2.5. Патологія мембран (мембранні хвороби). В основі цілого ряду патологічних станів лежить зміна властивостей клітинних мембран, викликана зовнішніми чи внутрішніми факторами. Порушення функцій мембран може бути як причиною, так і наслідком патологічних процесів. Розвиток таких захворювань, як злоякісні пухлини, атеросклероз, променева та опікова хвороби, ураження імунної системи, пов’язаний зі зміною структурних властивостей мембранних ліпідів, білків і рецепторів. Клітинні мембрани є мішенями для хімічних отрут, токсинів, іонізуючого та ультрафіолетового випромінювання.

Мембранні захворювання супроводжуються модифікацією ліпідного шару — зміною співвідношення між насиченими і ненасиченими жир­ними кислотами фосфоліпідів, зміною вмісту жиророзчинних вітамінів та порушенням структури і функцій мембранних білків, зокрема мембранних ферментів. Зміни властивостей мембран, що лежать в основі патологічних процесів, найчастіше спричиняються такими чинниками як посилення пероксидного окиснення ліпідів (ПОЛ), активація фосфоліпази та осмотичний шок клітин.

Найбільш вивчена пошкоджувальна дія на мембрани. ПОЛ належить вирішальна роль у розвитку таких захворювань, як променева та опікова хвороби, токсикози, спричинені дією на організм галогенопохідних солей важких металів, та, очевидно, злоякісна трансформація клітин.

У цей же час процеси ПОЛ перебігають і в нормальних клітинах, регулюючись за допомогою антиоксидної системи (неферментні та ферментні антиоксиданти). В нормі продукти ПОЛ є попередниками для синтезу простагландинів, тромбоксанів, простациклінів, лейкотрієнів. За рахунок ПОЛ здійснюється регуляція проникності мембран і їх оновлення, імунний захист на рівні фагоцитозу.

Найсильнішими каталізаторами ПОЛ є іони Fе²⁺ та інших металів зі змінною валентністю, аскорбінова кислота та підвищений парціальний тиск кисню. Посилення ліпопероксидації небезпечне для клітини, тому що викликає руйнування її мембран. Це має місце за умов зменшення активності антиоксидної системи організму або надмірної дії каталізаторів ПОЛ.

Вільнорадикальне пероксидне окиснення викликає серйозні зміни в мембранах. Нагромадження гідрофільних гідропероксидних груп в поліненасичених кислотах фосфоліпідів обумовлює порушення гідрофобності біліпідного шару мембран, наслідком цього є посилення пасивного транспорту іонів у клітини (переважно іонів Nа⁺, Са²⁺, Сl^-). За гідрофільними іонами проникає вода, накопичення якої обумовлює набряк клітин (осмотичний шок), що руйнує мембранні структури. Утворені під час ліпопереокиснення діальдегіди мають здатність викликати полімеризацію і агрегацію біомолекул (білків і ліпідів в мембранах), накопичення ліпофусциноподібних речовин. Пероксидні радикали здійснюють пероксидну модифікацію амінокислотних залишків (в першу чергу SН-груп) мембранних білків, в тому числі і цих, які розташовані в активному центрі ферментів, що супроводжується втратою ферментативної активності.

Важлива роль у розвитку ПОЛ у мембранах належить активації фосфоліпаз (зокрема фосфоліпази А₂). Фосфоліпази значно стимулюють ферментативне ПОЛ з усіма можливими наслідками.

Впровадження нових лікарських засобів у практичну медицину здійснюється тільки після всебічної їх перевірки на взаємодію із клітинними мембранами.