Плазмалемма

Плазмалемма (от греч. plasma - вылепленное, оформленное и lemma - кожица, скорлупа), или внешняя клеточная мембрана, плазматическая мембрана, цитолемма, окружает клетку, отделяет её содержимое от внешней среды и обеспечивает связь с внеклеточной средой.

Основные функции плазмалеммы обусловлены её положением:

1) барьерная - отделяет цитоплазму клетки от внешней среды;

2. рецепторная - при помощи специфических поверхностных рецепторов плазмалемма распознаёт сигнальные молекулы (цитокины, гормоны, медиаторы и др.), которые синтезируют и выделяют во внутреннюю среду организма другие клетки, то есть обеспечивает межклеточные сигнальные взаимодействия;

3. межклеточные структурные взаимодействия - распознаёт другие клетки и обеспечивает прикрепление к ним (межклеточные контакты), распознаёт межклеточное вещество и обеспечивает прикрепление к его компонентам (базальной мембране, коллагеновым волокнам);

4. избирательный транспорт веществ и частиц в цитоплазму и из неё;

5. участие в движении клетки - взаимодействуя с цитоскелетом, плазмалемма участвует в образовании псевдоподий, ресничек и жгутиков.

Помимо плазмалеммы в эукариотических клетках содержатся многочисленные и разнообразные внутренние мембраны, основное назначение которых заключается в разделении внутренней среды клетки на отсеки - компартменты (от англ. compartment - купе, отсек), обладающие специфическими функциями, они называются мембранными клеточными органоидами. Все клеточные мембраны объединены общим названием биологические мембраны.

Плазмалемма самая толстая из клеточных мембран и построена по единому с ними принципу: она состоит из непрерывного двойного слоя липидных молекул (липидного бислоя) и встроенных в него различных белков (рис. 2).

Липидный бислой - это основная структура мембраны, которая создаёт относительно непроницаемый барьер для водорастворимых молекул. Его образуют липиды трёх классов: фосфолипиды, сфинголипиды и холестерин. Молекулы фосфолипидов имеют полярную, гидрофильную головку и два гидрофобных, неполярных углеводородных хвоста (рис. 3). Именно полярность этих молекул и обеспечивает характерное строение мембран. Гидрофильные головки контактируют с молекулами воды и обращены кнаружи, а гидрофобные хвосты, обращённые друг к другу, образуют внутреннюю часть бимолекулярного пласта. Сфинголипиды (сфингомиелин, цереброзид) имеют сходное строение с фосфолипидами, но вместо глицерина (глицерола) они содержат аминоспирт сфингозин. Их содержание в различных мембранах варьирует в широких пределах. Наибольшее количество сфинголипидов обнаружено в миелиновых оболочках нервных волокон. Сфинголипиды могут присоединять молекулы олигосахаридов, образуя гликолипиды. Олигосахаридные цепи таких молекул выступают за пределы наружной поверхности плазмалеммы, придавая ей асимметричность. Холестерин (холестерол) - состоит из полярной головки, жёсткого участка, состоящего из стероидных колец и одного неполярного углеводородного хвоста. Холестерин стабилизирует клеточные мембраны, придаёт им механическую прочность. Наибольшее количество холестерина характерно для плазмалеммы эукариотических клеток, где его содержание примерно такое же, как и фосфолипидов.

Две половины липидного бислоя в мембранах отличаются по своему составу. Гликолипиды и фосфолипиды в этих молекулярных пластах располагаются асимметрично. Наружный липидный монослой в плазмалемме содержит большее количество гликолипидов. Они обеспечивают правильную ориентацию мембранных белков и принимают участие в образовании связей между соседними клетками. Фосфолипиды преобладают во внутреннем монослое.

В водных растворах фосфолипиды и гликолипиды самопроизвольно образуют бислои, которые имеют тенденцию замыкаться сами на себя и формировать изолированные компартменты. Они также способны к самовосстановлению при повреждениях: смыкаются образовавшиеся при этом свободные края, на которых гидрофобные хвосты контактируют с водой. Важнейшее свойство липидного бислоя - текучесть вместе с другими характеристиками делает его идеальным материалом для структурной основы клеточных мембран.

Известно, что все клеточные мембраны образуются в эндоплазматическом ретикулуме. Здесь происходит сборка липидного бислоя и синтез мембранных белков. Мембраны пластичны и подвижны. Они могут перетекать в определённом направлении: от эндоплазматического ретикулума к ядерной оболочке в период увеличения размеров ядра, или в противоположном направлении к краевым цистернам эндоплазматического ретикулума, от которых отпочковываются транспортные пузырьки. Увеличение площади плазмалеммы происходит за счёт слияния с ней мембранных пузырьков. Весь этот процесс называется «потоком мембран». Он возможен благодаря текучести их липидного бислоя.

Липидный бислой служит растворителем для мембранных белков. Липиды и белки мембран обладают латеральной подвижностью. Благодаря этому свойству мембранные белки могут перемещаться в плоскости мембран, как бы «плавая» в толще липидного бислоя.

Таким образом, липидный бислой обеспечивает барьерные и структурные функции плазмалеммы.

Мембранные белки по своим биологическим функциям делятся на три категории: ферменты, структурные белки и рецепторные. Мембраны различаются по составу белков гораздо в большей степени, чем по своему липидному составу. Количественное соотношение мембранных белков и липидов в разных клетках также различно. Например, в плазматических мембранах шванновских клеток и олигодендроцитов, образующих миелиновые оболочки нервных волокон (см. главу 6), на долю белков приходится около 25 % общей массы мембраны. Внутренние мембраны митохондрий, наоборот, содержат огромное количество белков (около 75 % их общей массы). Плазмалемма многих клеток содержит около 60 - 65% белков.

По способу ассоциации с липидным бислоем мембранные белки делятся на две основные группы:

1. Интегральные белки прочно связаны с липидным бислоем, и только после его разрушения при помощи органических растворителей удаётся выделить интегральные белки из мембраны. К этой группе относятся белки ионных каналов, рецепторные белки. Интегральные белки погружены в липидный бислой либо полностью (собственно интегральные белки), либо частично (полуинтегральные белки). Часть интегральных белков - трансмембранные белки пронизывают мембрану насквозь. Эти белки подобно липидам имеют гидрофобную часть, погружённую в мембрану, и гидрофильные участки, контактирующие с водными средами по обе стороны мембраны (внешней и внутренней).

2. Периферические белки располагаются на одной из поверхностей мембраны и взаимодействуют с ней одним из трёх способов: либо образуя связи с липидной молекулой; либо образуя связи с гликолипидом через олигосахаридный участок; либо присоединяясь к молекулам интегральных мембранных белков.

Мембранные белки отвечают за выполнение следующих специфических функций плазматической мембраны.

1. Избирательная проницаемость плазматической мембраны осуществляется при помощи трёх транспортных механизмов (рис.4):

1. Пассивный транспорт - простая диффузия малых незаряженных молекул через мембрану в двух направлениях, по градиенту концентрации, например газов при дыхании и т.д.

2. Облегчённая диффузия малых заряженных молекул или ионов по градиенту концентрации осуществляется через мембранные каналы, или с помощью белков-переносчиков. Например, при помощи белков-переносчиков (интегральных гликопротеинов) осуществляется транспорт глюкозы через плазматическую мембрану. Активность этого процесса контролируется гуморально: гормон инсулин увеличивает захват клетками глюкозы. Существуют белки - переносчики аминокислот, ионов. Мембранные каналы образуются из нескольких связанных между собой белковых субъединиц, например, ионные каналы для транспорта Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl^- или водные каналы (аквапорины).

3. Активный транспорт - это энергозависимый (т.е. осуществляемый с участием АТФ) трансмембранный перенос ионов против электрохимического градиента концентрации. Например, Na⁺, K⁺ - насос, или Na⁺, K⁺ - АТФ-аза, транспортирует Na⁺ из клетки и одновременно закачивает К⁺ в клетку (рис. 4). Этот насос присутствует во всех клеточных мембранах и выполняет ряд важных функций: обеспечивает поддержание постоянства объёма клетки, регулируя осмотическое давление, осуществляет Na⁺ - связанный транспорт многих органических и неорганических молекул через плазмалемму, обеспечивает создание мембранного потенциала. Огромное количество этих белковых комплексов содержат мембраны нервных и мышечных клеток.

2. Межклеточные взаимодействия включают совокупность процессов восприятия различных сигналов из внешней среды (физические, химические и механические раздражители), сигналов информационного характера внутренней среды организма (например, гормоны, нейромедиаторы, факторы роста и т.д.), узнавание и агрегацию с другими клетками или компонентами межклеточного матрикса* (межклеточные контакты, адресная миграция клеток, направленный рост отростков клеток).

Анализ межклеточных информационных взаимодействий важен для понимания механизмов функционирования эндокринной и нервной систем, поэтому этот вопрос рассматривается в главах 3, 6.

Узнавание - это специфическое взаимодействие рецепторов на внешней поверхности мембран двух соприкасающихся клеток, или рецепторов плазмалеммы одной клетки и белков внеклеточного матрикса. Роль рецепторов выполняют специальные трансмембранные гликопротеиды. Клетки-партнёры узнают друг друга, если между рецепторными молекулами их плазматических мембран образуются связи.

Способность клеток избирательно прикрепляться друг к другу или к компонентам межклеточного матрикса называется адгезией (от лат. adhaesio - прилипание). Межклеточные адгезивные взаимодействия являются необходимым условием образования тканей и поддержания целостности их структуры. При формировании тканей клетки прочно соединяются друг с другом с помощью специализированных структур - межклеточных контактов, в формировании которых принимают участие элементы цитоскелета. Строение и типы контактов мы рассмотрим несколько позже, после знакомства с основными элементами цитоскелета.

3. Эндоцитоз (от греч. endo - внутрь и kytos - клетка) - это поглощение клеткой макромолекул, их комплексов, микроорганизмов, частиц погибших клеток, которые не могут попасть в клетку другим способом. Определённый участок плазмалеммы, окружая внеклеточный материал, образует впячивание, ямку, края которой постепенно смыкаются. Образовавшийся таким образом эндоцитозный пузырёк (эндосома) погружается в цитоплазму (рис. 6).

Способностью к эндоцитозу обладает не вся поверхность плазмалеммы, а только её специализированные участки, называемые окаймлёнными ямками. Они занимают около 2 % площади плазмалеммы. Своё название эти структуры получили, благодаря волокнистому слою белков, окружающих их со стороны цитоплазмы. Основным белком окаймляющего слоя является клатрин. Три субъединицы клатрина и три молекулы других _____________________________________________

* Матрикс (от лат. matrix - основа, букв. мать) - здесь означает гомогенное вещество, в которое погружены компоненты клеточных и тканевых структур. Например, органоиды клетки располагаются в матриксе цитоплазмы, коллагеновые волокна - в межклеточном матриксе. Матрикс заполняет промежутки между структурными компонентами и обеспечивает взаимодействие между ними.

низкомолекулярных белков формируют трёхвалентный белковый комплекс - трискелион. Трискелионы образуют на цитоплазматической поверхности окаймлённых ямок характерную волокнистую сеть, ячейки которой имеют вид пяти- и шестиугольников. Впячивание (инвагинация) окаймлённой ямки осуществляется в результате взаимодействия клатрина с другими белками окаймляющего слоя. Время жизни окаймлённой ямки невелико - около минуты. Она достаточно быстро втягивается внутрь клетки, затем отшнуровывается от плазматической мембраны и превращается в окаймлённый пузырёк. Окаймлённый пузырёк теряет клатриновую оболочку: сеть трискелионов диссоциирует и распадается на субъединицы. До тех пор, пока окаймлённый пузырёк сохраняет клатриновую оболочку, он не способен сливаться с другими внутриклеточными структурами и его содержимое остаётся неизменным.

Эндосомы представляют собой освободившиеся от клатринового слоя окаймлённые пузырьки. Далее их содержимое подвергается внутриклеточной переработке (процессингу). Многие эндосомы сливаются с первичными лизосомами, содержащими гидролитические ферменты. Таким образом осуществляется внутриклеточное пищеварение - расщепление полимеров до мономеров, которые затем используются клеткой.

Разновидностями эндоцитоза являются пиноцитоз и фагоцитоз. Пиноцитоз (от греч. pino - пью, впитываю и kytos - клетка) - процесс поглощения клеткой жидкости и растворённых веществ с образованием небольших пиноцитозных пузырьков. Пиноцитоз осуществляется непрерывно в большинстве эукариотических клеток. Фагоцитоз (от греч. phagos -пожирающий и kytos) - это процесс поглощения клеткой плотных крупных частиц (обломков погибших клеток, микроорганизмов). Обычно фагоцитирующие клетки образуют псевдоподии (выпячивания цитоплазмы), которые окружают, захватывают плотную частицу и смыкаются над ней. При фагоцитозе образуются крупные эндосомы, имеющие специальное название - фагосомы. Клетки, осуществляющие фагоцитоз, называются фагоцитами. В организме человека наиболее активными фагоцитами являются макрофаги.

Эндоцитоз может быть неспецифическим (конститутивным) и специфическим, опосредованным рецепторами (рецепторным). Рецепторный эндоцитоз отличается от неспецифического тем, что из внеклеточной жидкости поглощаются определённые макромолекулы, для которых на поверхности плазматической мембраны имеются специфические рецепторы (рис. 6). Молекулы, связывающиеся с этими рецепторами, называются лигандами (от лат. ligare - связывать). Комплексы лиганд - рецептор перемещаются по поверхности мембраны и накапливаются в зоне окаймлённых ямок. Далее обычным способом запускается процесс эндоцитоза. Так клетки поглощают холестерин, трансферрин и многие другие молекулы.

4. Экзоцитоз ( от греч. ехо - вне и kytos - клетка) - процесс выведения из клетки синтезированных макромолекул. Многие клетки синтезируют белки «на экспорт», упаковывают их в мембранные пузырьки и выводят во внеклеточную среду. Экзоцитозные пузырьки от места их образования (аппарата Гольджи) транспортируются к плазматической мембране и контактируют с её внутренней поверхностью. В области контакта мембрана пузырька сливается с плазматической мембраной и встраивается в неё. Содержимое транспортного пузырька попадает во внеклеточную среду.

Описанный процесс называется секрецией, а участвующие в нём транспортные пузырьки - секреторными гранулами. Секреция может быть конститутивной и регулируемой (см. главу 3).

Помимо выведения из специализированных железистых клеток их продуктов (секретов), процесс экзоцитоза обеспечивает встраивание в плазматическую мембрану вновь синтезированных белков (например, рецепторов или антигенов), восстановление участков плазмалеммы, утраченных при эндоцитозе, увеличение её площади в растущих клетках и их отростках. Путём экзоцитоза клетки также выделяют во внеклеточную среду синтезированные ими белки внеклеточного матрикса, сигнальные молекулы (гормоны, цитокины) и т.д.

5. Трансцитоз (от лат. trans - сквозь и греч. kytos - клетка) - это характерный для некоторых клеток процесс, объединяющий признаки эндоцитоза и экзоцитоза. Клетки путём рецепторного эндоцитоза захватывают определённые вещества, переносят их без изменения в окаймлённых пузырьках сквозь цитоплазму к другой поверхности клетки, где посредством экзоцитоза выделяют их во внеклеточную среду. Примером трансцитоза может служить перенос некоторых растворённых веществ плазмы крови через клетки эндотелия кровеносных капилляров в тканевую жидкость.

Молекулы олигосахаридов образуют комплексы с интегральными белками (гликопротеины) и липидами (гликолипиды). В целом содержание углеводов в плазмалемме разных типов клеток варьирует от 2 до 10 % её общей массы. Разветвлённые олигосахаридные цепи выступают за пределы наружной поверхности плазмалеммы, образуют основу гликокаликса (от греч. glikos - сладкий и calyx - оболочка), рыхлого слоя умеренной электронной плотности, покрывающего наружную поверхность клетки. Гликокаликс обнаружен практически у всех животных клеток. Его толщина варьирует и может достигать нескольких десятков нм.

В гликокаликсе расположены рецепторы, обеспечивающие межклеточное узнавание и адгезивные взаимодействия с соседними клетками и межклеточным веществом. Кроме того, в гликокаликсе располагаются иммуноглобулины, рецепторы гистосовместимости (см. главу 4), рецепторы гормонов.

Слой гликокаликса удерживает большое количество воды и молекулы различных веществ. В этой зоне скорость диффузии различных веществ значительно снижается. Благодаря этому свойству, например, в гликокаликсе эпителиальных клеток тонкого кишечника накапливаются гидролитические ферменты и осуществляется процесс внеклеточного, пристеночного пищеварения.