Общие свойства биологических мембран

Все клеточные мембраны построены по общему принципу и представляют собой тонкие липопротеидные пленки, состоящие из двойного слоя липидных молекул, в который включены молекулы белка. В весовом отношении на долю липидов приходится 25-60%, на долю белков 40-75%. В состав многих мембран входят углеводы, количество которых может достигать 2-10%.

К липидам относится группа органических веществ, обладающих плохой растворимостью в воде (гидрофобность) и хорошей растворимостью в органических растворителях (липофильность). Состав липидов, входящих в мембраны клетки, очень разнообразен (рис. 116). Характерными представителями липидов, встречающихся в клеточных мембранах, являются фосфолипиды (глицерофосфатиды), сфингомиелины и из стероидных липидов - холестерин.

Глицерофосфатиды, или глицеролипиды, представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина с двумя жирными кислотами и с фосфорной кислотой, которая связана с различными химическими группами (холин, серин, инозит, этаноламин и др.). Другая группа мембранных липидов называется сфингомиелиновой, в ней глицерин замещен аминоспиртом сфингозином.

В стероидных липидах мембран больше всего холестерина. В растительных клетках он заменен на фитостерины. У бактерий стерины отсутствуют.

Характерной особенностью липидов мембран является разделение их молекулы на две функционально различные части: неполярные (не несущие зарядов) хвосты, состоящие из жирных кислот, и заряженные полярные головки (рис. 117). Полярные головки несут на себе отрицательные заряды или могут быть нейтральными (в случае, если они имеют одновременно положительные и отрицательные заряды). Наличие неполярных хвостов липидов объясняет их хорошую растворимость в жирах и органических растворителях.

Если полярные липиды смешать с водой, то образуется эмульсия, состоящая из мицелл. При этом незаряженные (гидрофобные) хвосты будут стремиться образовывать однородную фазу в центре мицеллы, и заряженные, гидрофильные, головки будут торчать в водную фазу. Если, наоборот, к липидам добавить немного воды, то образуются мицеллы, как бы вывернутые наизнанку: их гидрофобные хвосты будут торчать в масляную фазу, а заряженные (гидрофильные) головки будут располагаться внутри мицеллы (рис. 118).

На поверхности воды растворы полярных липидов, растекаясь, образуют мономолекулярную пленку, в которой в водную фазу будут направлены заряженные (гидрофильные) головки, а неполярные хвосты будут обращены в сравнительно гидрофобную воздушную фазу. Смешивая с водой экстрагированные из мембран липиды или используя смеси разных липидов, можно получить бимолекулярные слои или мембраны толщиной около 3,5 нм, в которых периферические зоны слоя, смотрящие в водную фазу, содержат исключительно полярные головки, а незаряженные хвосты образуют общую гидрофобную центральную зону такой образовавшейся мембраны (рис. 119).

Способность липидов образовывать мембранные структуры обусловлено наличием в их структуре полярных головок и неполярных хвостов.

В таких искусственные системах липидные мицеллы и мембраны могут взаимодействовать с белками своими полярными зонами или гидрофобными хвостами, при этом образуются искусственные липопротеидные мембраны, сходные с теми мембранами, которые можно выделить из клеток. Они имеют толщину около 7,5 нм. В электронном микроскопе мембраны имеют трехслойную структуру, состоящую из двух темных периферических слоев и светлого в центре, все примерно одинаковой толщины по 2,5 нм. Естественные клеточные мембраны имеют такое же строение.

Как искусственные, так и естественные мембраны не представляют собой плоские слои, они всегда замкнуты сами на себя.

В липопротеидных мембранах белки по весу составляют в среднем 50%. Количество белков в разных мембранах может быть различным. Так в мембранах митохондрий на долю белков приходится около 75%, а в плазматической мембране клеток миелиновой оболочки - около 25%. Но так как липидные молекулы имеют небольшой размер (около 0,5 нм) и молекулярный вес, их число по отношению к числу белковых молекул выше в 50 раз. Поэтому белковые молекулы как бы вкраплены в билипидный слой мембраны. Часть из них связана с липидными головками с помощью ионных (солевых) связей, другие образуют солевые связи с полярными участками липидов через взаимодействие с ионами Mg⁺⁺ или Ca⁺⁺ Легко экстрагируемые белки в основном расположены на мембранах со стороны цитоплазмы, в цитоплазматической мембране они тесно связаны с белковыми структурами цитоскелета.

В составе мембран большая часть белков взаимодействует с липидами на основе гидрофобных связей и многие мембранные белки состоят из участков, богатых полярными (несущими заряд) аминокислотами, и участков, обогащенных неполярными аминокислотами (глицином, аланином, валином, лейцином). Неполярные участки белков как бы погружены в “жирную” часть мембраны с гидрофобными участками липидов (рис. 121). Полярные (гидрофильные) участки белков взаимодействуют с головками липидов и обращены в сторону водной фазы. Белки, связанные с липидами путем гидрофобных связей практически не экстрагируются в водных фазах. Их выделяют путем разрушения мембраны и экстракции из нее липидов органическими растворителями, или детергентами. Поэтому эти белки мембран и называют интегральными.

Размер интегральных мембранных белков в среднем составляет 8 нм, но встречаются крупные белки - до 35 нм величиной (белок тилакоидов хлоропластов). По своей природе белки асимметричные, поэтому и асимметрично локализованы в мембране (рис. 123): их разные функциональные части локализованы по обе стороны мембраны. Интегральные белки цитоплазматической мембраны связаны с периферическими белками цитоплазмы.

Установлено, что большая часть липидных молекул (70%) не связана с белками, так что белковые молекулы как бы плавают в липидном слое.

Изучение липидных бислоев показало, что в составе естественных мембран молекулы липидов постоянно движутся с огромной скоростью достигающей 2 мкм за 1 с. Молекулы двигаются вдоль липидного слоя, вращаются вокруг своей оси, с помощью специальных переносчиков могут переходить из слоя в слой.

Белки, плавающие в липидном слое, также обладают латеральной, продольной подвижностью, но скорость их перемещения существенно ниже. Перемещение белковых молекул в составе мембран на живых клетках изучают на примере плазматической мембраны, белки которой, гликопротеины, имеют олигосахаридные цепочки, смотрящие во внеклеточную среду.

С этой целью широко используются лектины, белки растительного происхождения, которые специфически связываются с олигосахаридами мембранных белков. Так, лектин конканавалин А (КонА), выделенный из растения канавалии мечевидной, связывается с олигосахаридами, имеющими на концах глюкозу или маннозу. На поверхности белков-лектинов имеются участки специфического связывания с углеводами. Если лектины добавлять к взвеси эритроцитов, то это вызывает их осаждение, сопровождающееся слипанием - агглютинация. Поэтому лектины еще называют агглютининами.

Реакция агглютинации эритроцитов вызывается тем, что лектин, например КонА, взаимодействуя с концевыми сахарами гликопротеидов, сшивает эритроциты друг с другом, чем и вызывает их осаждение. Так как полисахариды есть на поверхности плазматической мембраны любых клеток, то лектины могут связываться с ними. Места посадки лектинов можно увидеть в электронном микроскопе, если связать лектины с электронноплотным белком ферритином. При добавлении к клеткам, поверхность которых связана с КонА, антител против КонА, меченных флуорохромом, обнаруживается свечение по всей поверхности клетки. Из этого следует, что белки-гликопротеиды, полисахаридные цепи которых образуют слой, равномерно разбросаны по поверхности клеток. Через какое-то время на поверхности клетки остается не сплошное свечение, а отдельные множественные пятна или точки, которые назвали “заплатками”, (по-английски patch). Затем эти пятна собираются в одну зону - “колпачок”. Это значит, что белки, связанные с лектинами, могут быстро перемещаться в плоскости плазматической мембраны. «Колпачок» образуется, как правило, над местами нахождения центриолей и аппарата Гольджи. Дальнейшая судьба этого колпачка различна: у фибробластов колпачки могут отделяться и отрываться от тела при движении клетки, у других (лимфоциты) происходит поглощение этих участков внутрь клетки и их переваривание.

Состав липидов по обе стороны мембраны не одинаков, поэтому билипидный слой асимметричен в строении. Так, было найдено, что 80% сфингомиелина и 75% фосфатидилхолина, и 20% фосфатидилэтаноламина расположены на наружной поверхности плазматической мембраны, на внутренней же – сконцентрированы весь фосфатидилсерин и 80% фосфатидилэтаноламина. Примерно такой же состав имеют мембраны эндоплазматического ретикулума (для них наружной является поверхность, обращенная внутрь полости).

Особенно выражена асимметрия мембран в отношении интегральных белков. В составе естественных мембран белки строго ориентированы. Большей частью их N-концы смотрят в полость вакуолей или в случае плазматической мембраны, во внешнюю для клетки среду. Такое полярное расположение цепи белковой молекулы в липидном бислое создается в процессе синтеза мембранного белка на рибосоме (см. ниже). Полуинтегральные и примембранные белки также асимметрично расположены в мембранах. Так в эндоплазматическом ретикулуме белки-ферменты, синтезирующие липиды, расположены на цитозольной стороне мембран, а ферменты, пришивающие сахара к белковым цепочкам, гликозидазы, локализованы на внешней стороне мембраны.

Наличие углеводного компонента характерно практически для всех мембран клетки, но особенно для мембран вакуолярной системы и плазматической мембраны. Углеводный компонент мембран состоит главным образом из гликопротеинов, ковалентно связанных белков с цепочками углеводов. Цепочки углеводов расположены в наружных слоях мембран (для вакуолей цитоплазмы к наружным относятся слои, обращенные в полости вакуолей). Они имеют ковалентные связи с интегральными белками, образуя гликопротеиды, или с липидами (гликолипиды). Углеводы мембран представляют собой короткие линейные или разветвленные цепочки, в состав которых входят галактоза, манноза, фруктоза, сахароза, N-ацетилглюкозамин, N-ацетилгалактозамин, пентозы - арабиноза и ксилоза, а также сиаловая кислота.

Разные мембраны имеют различные свойства. Несмотря на схожесть строения мембран, физические и химические свойства разных мембран различны и зависят от количества и состава липидов. Так, плазматическая мембрана содержит 35-40% липидов, мембраны митохондрий - 27-29%, мембраны шванновских клеток, образующих миелиновую оболочку нервов, - до 80%.

Клеточные мембраны сильно отличаются друг от друга по составу липидов. Так, плазматические мембраны клеток животных богаты холестерином (до 30%) и в них мало лецитина, в то время как мембраны митохондрий, наоборот, богаты фосфолипидами и бедны холестерином. Из общего количества липидов содержание фосфатидилхолина (лецитина) во фракциях эндоплазматической сети составляет 60-70% от всех фосфолипидов, в то время как в плазматической мембране его может быть 25-35%.

В целом для плазматической мембраны характерно высокое содержание холестерина и сфинголипидов, а также преобладание насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов, тогда как в митохондриях, эндоплазматической сети и во многих других цитоплазматических мембранах содержится мало холестерина и сфинголипидов и сравнительно много полиненасыщенных жирных кислот. В связи с этим мембраны цитоплазмы менее жесткие, чем плазматическая мембрана

Особенно отличаются мембраны по составу белков, которые, по биологической роли делят на три группы: ферменты, рецепторные белки и структурные белки.

Набор ферментов в составе мембран очень велик и разнообразен (например, в плазматической мембране клеток печени обнаружено не менее 24 различных ферментов). В разных мембранах существует характерный набор ферментов.

Рецепторные белки специфически связываются с теми или иными веществами и как бы их узнают. Это белки-рецепторы для гормонов, для узнавания поверхности соседних клеток, вирусов, фагов у бактерий и т.д. К этой группе относятся фоторецепторные белки. Так на внешней мембране митохондрий расположены рецепторы, участвующие в узнавании и транспорте митохондриальных белков, переносимых из цитозоля в митохондрии. На мембранах эндоплазматического ретикулума находятся рецепторы, узнающие и связывающие рибосомы, на ядерной оболочке - рецепторы кариофильных белков и т.д. На плазматической мембране расположены как рецепторы, узнающие соседние клетки или даже отдельные ионы солей (переносчики), так и белки, узнающие белки цитоскелета в цитоплазме.

Со стороны цитоплазмы мембраны связаны через примембранные или собственно мембранные интегральные белки с белковыми структурами цитоплазмы. В первую очередь к ним относятся компоненты цитоскелета. Это позволяет не только сделать мембраны более жесткими, но и обеспечивает подвижность мембран, создавая возможности для их транспортных функций.

Например, в эпителиальных клетках белки плазматической мембраны связываются с элементами цитоскелета и участвуют в образовании межклеточных соединений (десмосомы, адгезивный контакт и др.). С промежуточными филаментами цитоскелета связана внешняя мембрана клеточного ядра, что фиксирует ядро в объеме цитоплазмы. Внутриклеточные вакуоли, митохондрии перемещаются в клетке только при взаимодействии с микротрубочками и микрофиламентами.

После деления клеток происходит рост, увеличение объемов растущих дочерних клеток и плазматической мембраны. Но это не единственный пример быстрого роста объема и поверхности. Поверхность быстро растущих клеток в тычиночных нитях злаков может за 1 ч увеличиться в 65 раз, т.е. каждую минуту плазмолемма нарастает на ее первоначальную величину. Большую скорость роста плазматической мембраны обеспечивает быстрое встраивание, интеркаляция, пузырьков в растущую плазматическую мембрану. Источником всех клеточных мембран, кроме мембран митохондрий и пластид, является эндоплазматический ретикулум. От мембран гранулярного ЭПР отщепляются мелкие вакуоли, которые сливаются с мембранами аппарата Гольджи, от которого в свою очередь, отщепляются мелкие мембранные вакуоли, сливающиеся или с лизосомами, или с плазматической мембраной, или с секреторными вакуолями.

Рост мембран митохондрий и пластид происходит за счет синтеза основной массы белков и липидов в гиалоплазме клетки, которые затем транспортируются через мембранную оболочку митохондрий и встраиваются в их компоненты.