МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский институт медико-социальной реабилитологии

кафедра гистологии

ПЛАЗМОЛЕММА

доклад прочитан на совместном заседании СНК кафедры биологии и гистологии 15.10.2003

Руководители работы:

зав. кафедрой гистологии РГМУ, член-корреспондент РАЕН, профессор

Дубовая Татьяна Клеониковна

зав. кафедрой биологии МИМСР, академик РАЕН, профессор

Захаров Владимир Борисович

Станислав Юрьевич Берников

Москва, 2003

ПЛАЗМОЛЕММА

(Plasmalemma – внешняя клеточная мембрана, цитолемма, плазматическая мембрана, клеточная оболочка)

Плазмолемма, или внешняя клеточная мембрана, среди различных клеточных мембран занимает особое место. Это поверхностная периферическая структура, не только ограничивающая клетку снаружи, но и обеспечивающая ее непосредственную связь с внеклеточной средой, а, следовательно, и со всеми веществами и стимулами, воздействующими на клетку.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

О наличии пограничной мембраны между клетками и окружающей их средой предполагали задолго до появления электронного микроскопа.

Однако, физико-химики в течение долгого времени отрицали существование плазматической мембраны, признавая лишь наличие поверхности раздела между живым коллоидным веществом и внеклеточной средой. Однако Пфеффер в 1890 году подтвердил её существование.

В начале прошлого века Овертон обнаружил, что скорость проникновения многих веществ в эритроциты прямо пропорциональна их растворимости в липидах. Поскольку липиды – вещества неполярные, они способны растворять в себе другие неполярные вещества. Поэтому говорят, что клеточная мембрана высоко проницаема для веществ, растворимых в липидах. Овертон предположил, что клеточная мембрана содержит большое количество липидов; вещества растворяются в ней, проходя сквозь неё, и оказываются по другую сторону мембраны.

3

В 1925 г. Гортер и Грендел выделили липиды из клеточной мембраны, вызвав разрушение эритроцитов и отделив их мембраны от клеточного содержимого. Полученные липиды они распределили по поверхности воды слоем толщиной в одну молекулу (мономолекулярным слоем). Площадь поверхности воды, покрытой таким мономолекулярным слоем липидов, оказалось вдвое больше, нежели вычисленная площадь исходных эритроцитов. Отсюда был сделан вывод, что клеточная мембрана состоит из двойного слоя липидных молекул (бимолекулярного слоя, бислоя). Изучение натяжения и гибкости пограничного слоя клетки позволило заключить, что в клеточной мембране содержится также белок.

Давсон и Даниелли в 1935 г. высказали предположение, что в клеточных мембранах липидный бимолекулярный слой заключен между двумя слоями белковых молекул.

С появлением электронного микроскопа впервые открылась возможность познакомиться со строением мембран, и тогда обнаружилось, что наружная цитоплазматическая мембрана как животных, так и растительных клеток выглядит именно как трехслойная (триламинарная) структура.

В 1959 г. Робертсон объединив имевшиеся в то время данные, выдвинул гипотезу о строении «элементарной мембраны», в которой он постулировал структуру, общую для всех биологических мембран:

а) все мембраны имеют толщину около 7,5 нм; б) в электронном микроскопе все они представляются трехслойными;

в) трёхслойный вид мембраны есть результат именно того расположения белков и полярных липидов, которое предусматривала модель Давсона и Даниелли – центральный липидный бислой заключен между двумя слоями белка.

4

Эта гипотеза строения элементарной биологической мембраны претерпела с тех пор изменения в связи с получением новых данных, поступавших из различных источников.

В 1972 г. Сингер и Николсон предположили жидкостномозаичную модель мембраны, согласно которой белковые молекулы, плавающие в жидком липидном бислое, образуют в нём как бы своеобразную мозаику.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПЛАЗМОЛЕММЫ

Наружная клеточная мембрана, по современным представлениям, имеет толщину около 10 нм (10-9 м), являясь таким образом, самой толстой из клеточных мембран и состоит из трех частей:

1)собственно мембрана;

2)надмембранный слой – гликокаликс;

3)субмембранный (подмембранный) слой.

Ферментные маркеры: 5’-нуклеотидаза, Аденилатциклаза, Na+- K+-АТФаза

Липидный бислой представлен преимущественно фосфолипидами (глицерофосфатидами), сфингомиелинами и из стероидных липидов — холестерином (холестеролом).

Липиды обладают плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и растворимостью в органических растворителях и жирах (липофильность).

В фосфолипидах четко определяют два домена. Один представлен фосфатной головой молекулы с замещениями. Химические свойства этого домена определяют его растворимость в воде, поэтому его называют гидрофильным. Напротив, ацильные цепи, которые отходят от глицеринового остова, не полярны и поэтому не растворимы в воде. Они представляют гидрофобный домен.

5

Свойство молекулы иметь в своем составе как гидрофильные, так и гидрофобные группы, называется амфифильностью. Амфипатический характер липидов мембраны способствует самопроизвольному образованию липидного бислоя, в котором гидрофобные «хвосты» обращены внутрь, а гидрофильные «головки»

– наружу.

Липидный бислой в биологических мембранах наиболее близок по своим свойствам к ламеллярной жидкокристалической фазе. Он стабилизируется силами гидрофобного взаимодействия, способствующими образованию таких структур, в которых площадь контакта между водой и неполярными углеводородными цепями минимальна. Важную роль играют также межмолекулярные взаимодействия в области полярных головок, в частности гидротация, и водородные связи.

указывает их название, фосфоглицериды состоят из молекулы глицерола, две гидроксильные группы которого этерифицированы жирными кислотами, а третья – остатком фосфорной кислоты, этерифицированной спиртом. Большая часть полярных липидов

6

имеет сходное строение, но с небольшими отклонениями. Жирные ацильные цепи отличаются по структуре, особенно в расположении двойных связей, которые определяют свойства белково-липидного бислоя. Атомы углерода, образующие двойные связи, не могут свободно вращаться, поэтому они занимают фиксированную позицию и создают изгибы («изломы») в углеводородной цепи, бывшей бы иначе на всем протяжении прямой. Эти изгибы предотвращают плотную упаковку липидных «хвостов», что влияет на вязкость или текучесть мембраны.

Протяженность ацильных цепей также имеет биологическое значение: более короткие цепи упакованы в менее жесткие структуры, и это способствует уменьшению вязкости мембраны. Таким образом, и длина ацильной цепи, и число двойных связей играют важную роль в изменении текучести мембраны.

Сфинголипиды, производные С18-аминоспиртов, – второй основной тип мембранных липидов. Наиболее распространенные сфинголипиды – это церамиды, которые содержат или фосфатидилхолин, или фосфатидилэтаноламин. Хотя сфинголипиды лишены глицеринового остова в отличие от фосфатидилглицерина, общая конформация двух типов липидов почти одинакова.

Холестерол – третий основной класс мембранных липидов. Этот стероид выполняет в мембране многочисленные функции. Полярная OH-группа придает молекуле слабые амфифильные свойства, в то время как замкнутая структура колец гидрофобна и внедряется между ацильными цепями других липидов. Внедрение этой части молекулы холестерола между гидрофобными доменами других липидов приводит к менее плотной упаковке ненасыщенных ацильных цепей, что придает внутренней части бислоя меньшую вязкость, то есть делает ее более текучей. Снижение вязкости способствует латеральному перемещению липидов в плоскости липидного бислоя.

7

Противоположный эффект связан с OH-группой стероида, которая локализуется ближе к «головам» других липидов. OH-группа «цементирует» гидрофильные части мембраны, что делает мембрану менее проницаемой для небольших молекул. Большинство мембранных фосфолипидов содержит в своих ацильных цепях одну или более cis-двойных связей. Это затрудняет их совместную упаковку, поскольку таки цепи более подвижны, и, следовательно, мембрана становится менее вязкой при обычной температуре. В подвижной мембране могут возникать полости, облегчающие движение через мембрану мелких водорастворимых молекул, например, глюкозы. Холестерол способствует более плотной упаковке мембраны в области гидрофильных доменов и, одновременно заполняет полости, образованные

между слоями, они обычно скапливаются в наружном слое, тем самым утолщая мембрану. Роль холестерола в проницаемости мембраны обусловлена его физическими и химическими свойствами.

В зависимости от температуры холестерин имеет определенный эффект на мембранную консистенцию. При высоких температурах холестерин служит препятствием для движения остатков жирных кислот фосфолипидов, делая внешнюю часть мембраны менее жидкой и возможной для проникновения малых молекул. При низких температурах холестерин имеет обратный эффект – как препятствие между остатками жирных кислот, холестерин не позволяет мембранам

8

разрушаться при замораживании и определяет разжиженность мембраны.

Вязкость мембранных липидов во многом определяет свойства и поведение мембран (активность, легкость слияния отдельных мембран друг с другом, а также активность связанных с мембраной ферментов и транспорт белков).

. На вязкость липидов в бислое влияют следующие факторы:

•число углеводородных групп (СH2) в ацильных цепях

•число двойных связей в цепи

•количество холестерола в бислое.

Чем длиннее и насыщенные ацильные цепи липидов, тем плотнее они могут быть упакованы. Плотная упаковка повышает устойчивость (снижает текучесть) бислоя. При этом необходимо отметить, что текучесть мембраны выше в гидрофобной области, а гидрофильные области, содержащие полярные головы липидов, значительно менее подвижны. Почему это так? Полярные группы липидов ориентируют окружающие их молекулы воды и при этом сближаются между собой, «цементируя» мембрану. Таким образом, непрямое и несколько парадоксальное взаимодействие между молекулами воды в биологических жидкостях влияет на стабильность и целостность мембраны – в данном случае, взаимодействие между молекулами воды и полярными группами липидного бислоя.

Липиды различных типов встраиваются в мембрану далеко не случайным образом. Группируясь по-разному, они могут формировать на мембране поля. Это дает возможность липидам мембраны формировать участки с различными свойствами для выполнения определенных клеточных функций. Например, липиды с насыщенными ацильными цепями, накапливаясь в одном месте клеточной мембраны, делают этот участок жестче. Реально это происходит в тех областях мембран, которыми клетка прикрепляется к

9

субстрату или другим клеткам. Кроме того, каждая сторона бислоя имеет различный липидный состав, поэтому области с заданными свойствами могут возникать изолированно только на одной стороне бислоя.

Не следует думать, что мембрана представляет собой жесткую структуру – большая часть белков и липидов, входящих в её состав, способны перемещаться, главным образом в плоскости мембраны. Одно из первых свидетельств того, что липиды мембраны подвижны, было получено с использованием метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), когда в липид вводили спиновую метку в виде нитроксильной группы, содержащей неспаренный электрон. Эксперимент показал, что липидная молекула быстро перемещается в плоскости мембраны. При расчете кинетики этого движения оказалось, что одна молекула может пройти расстояние, равное длине обычной эукариотической клетки, приблизительно за 5– 10 секунд. Таким образом, в мембране обычной клетки млекопитающего липиды находятся в непрерывном движении и постоянно перемещаются. Кроме бокового движения, каждый липид крутится вокруг своей оси. Внутри липидного бислоя каждая молекула может свободно перемещаться в плоскости мембраны до встречи с каким-либо препятствием.

Боковое движение отдельных липидов в бислое – движение в пределах одного слоя мембраны. Не может ли молекула перескочить, например, с наружного слоя на внутренний? Это, действительно, возможно, но под действием простой диффузии происходит очень долго и не имеет большой ценности для клетки. Поэтому перескок (flip-flop) липидов из одного слоя мембраны в другой происходит иначе, чем латеральное движение.

Амфипатические свойства липидов объясняют сложность, казалось бы, простого прыжка из одного слоя мембраны в другой. Для

10

такого «перескока» требуется, чтобы полярный домен быстро прошел через неполярную область, и наоборот. Это потребует от клетки слишком больших затрат энергии, если процесс не облегчить специально. Следует учесть, что перескок липидов между слоями – редкое событие, так как поддержание определенного липидного состава на каждой стороне мембраны очень важно для структуры и функции клетки. Процесс перескока flip-flop, или транслокация липидов обеспечивается специальными механизмами.

В двойной слой липидов на различную глубину погружены мембранные белки, составляющие более 50% массы мембраны, и удерживаются в нём за счёт гидрофобных взаимодействий с молекулами липидов. Мембранные белки обеспечивают специфические свойства мембраны (типы белков и их содержание в мембране отражают её функцию) и играют различную биологическую роль (переносчиков, ферментов, рецепторов и структурных молекул).

Мембранные белки связываются с мембранами разными способами. Ассоциация некоторых периферических мембранных белков с поверхностью мембраны осуществляется при помощи электростатических и гидрофобных нековалентных взаимодействий. В других случаях белки прикрепляются к мембране с помощью ковалентно связанных с ними липидов. Многие мембранные белки содержат неполярные домены, внедряющиеся в гидрофобную сердцевину бислоя. Исследования фотосинтетических реакционных центров бактерий и бактериородопсина свидетельствуют о том, что основным неполярным элементом является трансмембранная α- спираль. Исходя из данных об аминокислотной последовательности, были построены модели интегральных белков, содержащие от 1 до 12 трансмембранных α-спиралей.

По своему расположению относительно липидного бислоя мембранные белки разделяются на две основные группы –

11

интегральные и периферические. Периферические белки непрочно связаны с поверхностью мембраны и обычно находятся вне липидного бислоя. Интегральные белки либо полностью (собственно интегральные), либо частично (полуинтегральные белки) погружены

влипидный бислой; часть белков пронизывает мембрану насквозь (трансмембранные), контактируя при этом как с наружной, так и с внутренней средой клетки. Интегральные белки имеют вид округлых внтуримембранных частиц, большая часть которых связана с P- поверхностью (от англ. protoplasmic) – протоплазматической, то есть ближайшей к цитоплазме поверхности, меньшая – на E-поверхности (от англ. external) – наружной, более близкой к внешней среде.

Часть белковых частиц связана с молекулами олигосахаридов (гликопротеины), которые выступают за пределы наружной поверхности мембраны, другая имеет липидные боковые цепи (липопротеины). Молекулы олигосахаридов связаны также с липидами в составе гликолипидов. Углеводные участки гликолипидов и гликопротеинов придают поверхности клетки отрицательный заряд и образуют основу надмембранного слоя — гликокаликса

(glykocalyx). Толщина этого слоя около 3-4 нм, он обнаружен практически у всех животных клеток, но степень его выраженности различна. Гликокаликс представляет собой ассоциированный с мембраной гликопротеиновый комплекс, в состав которого входят различные углеводы. Углеводы образуют длинные, ветвящиеся цепочки полисахаридов, связанные с белками и липидами, входящими

всостав мембраны. При использовании специальных методов выявления полисахаридов (краситель рутениевый красный) видно, что они образуют как бы чехол поверх плазматической мембраны.

Углеводные участки играют роль рецепторов, обеспечивающих распознавание клеткой соседних клеток и межклеточного вещества, а также адгезивные взаимодействия с ними. В состав гликокаликса

12

входят рецепторы гистосовместимости, некоторые ферменты (часть которых может производиться не самой клеткой, а адсорбироваться на её поверхности), рецепторы гормонов.

Чем больше конкретных специфических рецепторов находится в гликокаликсе, тем активнее клетка реагирует на соответствующие сигнальные вещества. Если в гликокаликсе нет молекул, специфически связывающихся с внешними веществами, клетка на последние не реагирует. Гликокаликс играет важную роль в обеспечении барьерной функции плазмолеммы.

Также могут в состав гликокаликса могут входить белки, не связанные непосредственно с билипидным слоем. Как правило, это белки-ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении различных веществ, таких как углеводы, белки, жиры и др.

Внекоторых условиях определенные белки способны накапливаться в отдельных участках мембраны, образуя агрегаты. Случайно ли движение белка или это направленное движение, и если так, то как оно происходит? Ответ заключается в том, что многие белки перемещаются на значительные расстояния; однако, поскольку они по-разному связаны с белками цитоскелета, не все из них могут двигаться внутри мембраны. Несмотря на то, что многие белки ассоциированы с цитоскелетом, исследователи обнаружили слабую латеральную диффузию мембранных белков. Вероятно, эта диффузия – следствие динамического состояния большинства клеточных структур, которые постоянно распадаются и синтезируются вновь. Многие белки способны вращаться в плоскости мембраны, но это вращение может быть затруднено из-за образования белковых агрегатов.

Вбиологической мембране с белком соседствует значительная доля липидов. Слой липидов, непосредственно прилегающих к белку, называется пограничным. Эти липиды очень быстро (~107 с-1)

13

обмениваются с основной массой липидов бислоя, и обычно вероятность нахождения тех или иных липидов по соседству с белком или в основной липидной фракции почти одинакова. Правда, для некоторых белков характерна определенная избирательность в связывании с липидами. Но даже слабая избирательность может приводить к тому, что липидный состав пограничного слоя будет отличаться от состава основной липидной фазы.

Субмембранная система клетки представляет собой специализированную периферическую часть цитоплазмы и занимает, следовательно, пограничное положение между рабочим метаболическим аппаратом клетки и плазматической мембраной. В субмембранной системе поверхностного аппарата можно выделить две части: периферическую гиалоплазму, где сосредоточены ферментативные системы, связанные с процессами трансмембранного транспорта и рецепции, и структурнооформленную опорно-сократимую систему. Последняя система состоит из актиновых филаментов, кератиновых филаментов и микротрубочек. Подмембранный слой тесно связан с цитоскелетом с одной стороны, и рецепторами гликокаликса – с другой.

Функция субмембранного слоя заключается в поддержании формы клетки, создании её упругости, изменениях клеточной поверхности, за счёт чего клетка участвует в эндо- и экзоцитозе, фагоцитозе, движении, секреции. С другой стороны, подмембранный слой связывает клеточную поверхность с компонентами цитоплазмы, поддерживает их упорядоченное расположение.

14