Клеточные мембраны
При изучении методом электронной микроскопии строения клеток были получены экспериментальные данные, позволившие Сингеру и Николсону (1972) предложить жидкостно-мозаичную модель клеточной мембраны. При окрашивании клеток тетр-оксидом осмия и перманганатом на электронных микрофотографиях срезов выявля-ются образования толщиной 6-10 нм с темными наружными (по 2-2,5 нм) и светлым внутренним (около 3 нм) слоями, которые по всем показателям соответствовали кле-точным мембранам. В темных слоях, полярные гидрофильные участки мембранных липидов, повышено содержание металлического осмия.
При скалывании замороженных клеток линия скола проходит по светлому слою, примерно по середине этих образований. При этом в плоскости скола обнаруживаются крупные включения, представляющие собой интегрированные в мембраны белковые молекулы. При обработке клеток растворами с высокой ионной силой от них отделя-ется часть связанных белков, которые фиксировались на внешней стороне мембраны только ионными силами или водородными связями (периферические белки).
В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная в 1972 году Сингером и Николсоном (Singer, Nicolson). Согласно этой модели мембрана состоит из бислоя липидов, в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, образуя в нём своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь (интегральный белок - 1), примыкать к бислою (периферический белок - 2) или погружаться в него. Многие белки мембраны являются гликопротеинами (3), а мембранообразующие липиды - гликолипидами (4). на схеме также показаны: холестерол (5); углевод (6); элементы цитоскелета (7).
К этому времени было хорошо изучено строение амфифильных соединений, которые по их способности растворяться в неполярных растворителях относились к липидам, то есть жироподобным веществам. В отличие от обычных поверхностноактивных веществ выделенные из клеток амфифильные липиды имеют по два гидрофобных углеводород-ных остатка, которые придают им способность к образованию в воде ассоциатов с двойным слоем молекул, где полярные фрагменты обращены в сторону водной фазы, а неполярные, закрытые от воды полярными, образуют внутренний гидрофобный слой. В отличие от обычных мицелл (они образуются при ассоциации ПАВ с одним гидрофоб-ным остатком) такие двухслойные системы могут формировать шарообразные или иные полые структуры, внутри которых заключена часть захваченной водной фазы, их называют липосомами. Они представляют собой аналоги клеточных образований – ве-зикул. Полученные простым смешением клеточных липидов с водой липосомы, конеч-но, различаются по размеру в широких пределах, они могут иметь достаточно сложное строение, когда внутри одной липосомы находится много более мелких или когда прос-то идет чередование слоев. В пределах липидного бислоя составляющие его молекулы достаточно подвижны, но перемещение одной молекулы с внешней стороны на внут-реннюю затруднено, поскольку для этого полярная часть молекулы должна пройти через неполярный слой. Но в общем случае это образование представляет собой двух-ерную жидкость. Липидные фрагменты, составляющих эти образования, имеют разную длину и поэтому имеется взаимопроникновение «хвостов» липидных молекул одного слоя в другой, что еще более стабилизирует бислойную систему.
Включенные в клеточную мембрану белки называют интегрированными, а связанные с поверхностью мембраны ионными или водородными связями – периферическими. Причем интегрированные белки могут быть частично или полностью погружены в мембрану или могут пронизывать ее насквозь. Для этих белков также возможно пере-мещение, латеральная диффузия, в этой двухмерной жидкости. В принципе должно было происходить даже слипание, агрегация этих белковым молекул, но этого не происходит из-за присутствия в составе липидов мембран стероидных составляющих и фиксации белков микротрубочками и микронитями, структурирующими все внутрен-нее пространство клетки.
Мембраны разных клеток отличаются как составом входящих в их состав липидов, так и составом интегрированных и ассоциированных белков. В клетках есть также разли-чие в составе липидов внутреннего и внешнего слоя мембраны. Это связано во-первых со строением и ролью белков, находящихся на внутренней и на внешней поверхности мембраны, а во вторых с различием в составе внутренней среды клетки и окружающей ее (интерстициальной) жидкости. На внешней поверхности клетки находятся также гликолипиды и гликопротеины с олигосахаридными участками, отвечающими за иммунные реакции. Асимметрия мембран по составу липидов на примере эритроцитов такова: во внешнюю сторону смотрят гидрофильные фрагменты фосфатидилхолинаиганглиозидов, с внутренней, цитозольной стороны мембраны –фосфатидилэтанол-амина (кефалина), фосфатидилсерина и сфингомиелина.Стероидные липиды служат для регуляции жидко-кристаллических свойств мембран и для фиксации в них белков.
Важнейшая функция мембран – это транспорт через нее веществ и частиц в обоих направлениях. Частицы, в том числе болезнетворные бактерии или вирусы, могут захватываться клеткой эндоцитозом, когда клеточная мембрана обволакивает частицу и внутри клетки отделяется везикула с включением. При экзоцитозе протекает обратный процесс, при котором, например, мембрана везикулы, образовавшейся в результате работы аппарата Гольджи, сливается с внутренней стороны с мембраной клетки и после этого разрывается, выпуская содержимое везикулы в интерстициальную жидкость. Бо-лее сложен механизм обмена молекулярными веществами. Мембрана является хорошей преградой на пути диффузии полярных молекул и ионов. Плотный внутренний слой гидрофобных радикалов мембранных липидов задерживает их достаточно эффективно, но диффузия ионов все же идет через небольшие поры в мембране или через участки с пронизывающими мембрану интегрированными белками. Более легко проходят через мембрану молекулы неполярных веществ, поскольку внешние гидрофильные фрагмен-ты мембранных липидов не образует плотного слоя. Непреодолима клеточная мемб-рана для любых крупных молекул. Внутренняя среда клетки – цитозоль – содержит заметное количество кислот с высокой молекулярной массой, из-за чего с внутренней стороны мембраны, если, конечно, ее целостность не нарушена, появляется отрицатель-ный заряд, а с внешней стороны – положительный. Это является результатом пассив-ной диффузии катионов и небольших анионов, хотя определенный вклад в возникно-вении этой разницы потенциалов могут внести и белковые системы активного транс-порта, называемые насосами, но общее название таких относящихся к ферментам белков – транслоказы. Активный транспорт веществ идет против градиента концент-раций и тогда для него нужен источник энергии. Чаще всего это энергия разрыва ангидридной связи в молекуле аденозинтриосфата. Так, например,Na+,K+-насос (Na+,K+-АТФ-аза) принципиально функционирует так:
С внутренней стороны мембраны определенный участок этого белка, состоящего из четырех субъединиц, фосфорилируется и связывается с ионами натрия
За этим следует структурная перестройка белка, в результате которой участок с ионами натрия оказывается с внешней стороны мембраны, где они обмениваются на ионы калия
Замещение ионов калия ионами натрия снова вызывает структурную перестройку, в результате которой участок с ионами натрия опять оказывается внутри клетки и там от него гидролитически отщепляется остаток фосфорной кислоты и ионы калия
Представленная схема, конечно, крайне упрощена. Единственное уточнение, которое можно привести здесь состоит в том, что распад одной молекулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и закачиванием внутрь клетки двух ионов калия. В результате работы этой транслоказы концентрация ионов калия внутри клетки примерно в 40 раз выше, чем в интерстициальной жидкости, а концентрация ионов натрия в цитоплазме в 10 раз меньше, чем вне клетки.