Биологическая химия - часть 74

Рис. 9.3. Распределение липидов между наружной (а) и внутренней (б) сторонами

бислоя в мембранах эритроцитов (I), вируса гриппа (II) и саркоплазматического

ретикулума кролика (III).

Фл - общие фосфолипиды; Фх - фосфатидилхолин; Фэ - фосфатидилэтаноламин; Фс - фосфати-

дилсерин; См - сфингомиелин; Фи - фосфатидилинозит.

ные цепи, метальные концы которых соединены друг с другом ковалент-

ными связями. Такие «шпильки» обеспечивают повышенную прочность

липидного бислоя. (Подробнее о жирных кислотах см. главу 11.)

Липиды в составе бислоя распределяются асимметрично. Это свойство

диктуется особенностями строения их молекул: фосфатидилхолину, фосфат-

идилсерину, сфингомиелину присуща цилиндрическая форма, фосфатидил-

этаноламину – форма конуса, а лизофосфолипидам (получаются в резуль-

тате отщепления от молекулы одной жирнокислотной цепи) – форма пере-

вернутого конуса. Природные мембраны также обладают исходной асим-

метрией (рис. 9.3).

Белки взаимодействуют с мембранным бислоем, в результате чего они

либо ассоциируются с поверхностью мембраны – периферические белки,

либо пересекают бислой один или несколько раз, прочно интегрируясь

в него,– это интегральные белки. Интеграция оказывается возможной, если

в первичной структуре белка имеются достаточно протяженные участки,

содержащие гидрофобные аминокислотные последовательности. В таком

случае белковые молекулы способны самопроизвольно встраиваться в би-

слой. При ассоциации рибосом с мембранными структурами встраивание

гидрофобных белков в мембрану осуществляется синхронно с их синтезом

при участии специальных механизмов, потребляющих энергию АТФ.

Участки белка, которые обращены во внеклеточную среду, могут под-

вергаться гликозилированию. В мембранах растений и бактерий полисахара

играют самостоятельную роль, образуя наружную оболочку. В клетках

животных, в которых наружный слой включает углеводы, имеется внутрен-

ний цитоскелет, состоящий из актина и других легко полимеризующихся

белков; он имеет регулярную связь с мембранными белками и выполняет

формообразующую и опорную функцию (рис. 9.4).

Фазовое состояние мембранных липидов. Мембранные липиды могут

находиться в нескольких фазовых состояниях, т. е. они обладают мезомор-

физмом. Два основных ламеллярных состояния, характерных для мембран-

ных липидов в клеточных системах: кристаллическое и жидкокристалличе-

ское – различаются плотностью упаковки и подвижностью находящихся

в бислое белковых молекул. При более плотной упаковке ацильные цепи

301

а

б

Рис. 9.4. Схематическое изображение клеточной мембраны.

липидов расположены под углом, близким к 90°, и все С—С-связи нахо-

дятся в транс-конформации (максимально вытянуты). Фазовый переход

приводит к увеличению подвижности ацильных цепей в бислое, увеличению

угла их наклона и уменьшению плотности упаковки. Латеральная подвиж-

ность мембранных белков после фазового перехода возрастает, увеличива-

ется вероятность образования их ассоциатов.

В липидном бислое могут также образовываться гексагональные струк-

туры (вывернутые мицеллы). При их образовании в мембране возникают

дефекты регулярной упаковки, что позволяет проникать через мембрану

крупным молекулам, а также обеспечивает обмен компонентами монослоев

в бислойной мембране.

Фазовые переходы мембранных липидов могут быть вызваны изменени-

ем температуры среды. Значение температуры, при котором наблюдается

фазовый переход, называется критической температурой фазового перехода,

или разделения фаз, если различные участки мембраны вследствие гетеро-

генности липидного состава по-разному отвечают на изменения темпера-

туры. Ионы Са

2 +

, изменение числа ненасыщенных жирнокислотных цепей

мембранных фосфолипидов и некоторые другие факторы также могут

индуцировать фазовые переходы в бислое. Обычно критическая температу-

ра фазовых переходов приближена к температуре тела гомойотермных

животных (или к температуре среды обитания пойкилотермных животных).

Таким образом, достаточно незначительного изменения условий, чтобы

изменить упаковку мембраны.

Специфические свойства биологических мембран. Благодаря указанным

особенностям биологические мембраны имеют присущие им характерные

черты. Они образуют протяженные бислойные структуры малой толщины

(6–10 нм), объединяющие белковые и липидные компоненты с различными

свойствами.

Целостная структура мембраны создается за счет гидрофобных и элект-

ростатических взаимодействий, а не за счет ковалентных связей между

составляющими ее молекулами белков и липидов. Гидрофобный липидный

бислой представляет естественную преграду для проникновения полярных

молекул. Мембраны асимметричны по своему исходному строению, что

302

Гликокаликс

Цитоскелет

Мембранный бислой

с встроенными в него

белками

обеспечивает градиент кривизны и спонтанное образование замкнутых

структур.

Мембранный бислой обладает относительно малой микровязкостью.

Другими словами, мембраны рыхло упакованы, что позволяет отдельным

компонентам проявлять высокую подвижность в латеральном направ-

лении.

Наружные мембраны клеток отличаются от внутренних по липидному

составу (последние почти не содержат стеринов, имеют соотношение

ФХ/ФЭ > 1) и обладают специфическим набором ферментов и рецепторов.

Как правило, белки плазматических мембран со стороны внеклеточной

среды обильно гликозилированы. Внутриклеточные мембраны содержат

мало гликопротеинов и гликолипидов и характеризуются меньшей микро-

вязкостью. Благодаря этому они могут образовывать органеллы малого

размера. Мембранные белки выполняют различные специфические функ-

ции: рецепторные, транспортные, ферментативные, энергопреобразующие

и т.д. (см. далее).

Функции биологических мембран. Как отмечалось, клеточные мембраны

отграничивают содержимое клетки (или клеточной органеллы) от окружаю-

щей среды. Благодаря наличию специальных рецепторов они воспринима-

ют сигналы из внешней среды (например, молекулы гормонов, называемые

первичными мессенджерами, или посредниками), в ответ на которые образу-

ются вторичные мессенджеры, высвобождающиеся внутрь клетки. Так осу-

ществляется преобразование сигналов, изменяющих клеточный метаболизм

в соответствии с изменяющимися условиями среды (см. главу 8).

Мембранные рецепторы выполняют функции узнавания (иммунокомпе-

тентная система), адгезии (обеспечение межклеточных контактов, формиро-

вание тканей), регуляции активности ионных каналов (электрическая возбу-

димость, создание мембранного потенциала). Мембранные ферменты в со-

ставе бислоя приобретают большую стабильность и способность к осуще-

ствлению реакций, которые в гидрофильном окружении протекали бы

с весьма малой скоростью. Липидное окружение предоставляет таким

белкам «привилегированные» условия функционирования, но и накладыва-

ет ограничения на поведение белковых ассоциатов: последнее сильно

зависит от плотности упаковки (микровязкости) мембран. Поэтому факто-

ры, влияющие на липидный состав и свойства клеточной мембраны,

оказывают регулирующее влияние на функции мембранных белков.

Мембранные белки часто образуют олигомерные ансамбли, взаимодей-

ствия между которыми (или длительность их существования в бислое)

оказывается под контролем их мембранного окружения. Изменения микро-

вязкости мембран в таком случае позволяют контролировать активность

этих надмолекулярных структур.

Транспортная функция является одной из важных функций клеточных мембран

(рис. 9.5). Мембрана создает существенные ограничения для проникновения различ-

ных веществ, однако она не является полностью непроницаемой: небольшие

нейтральные молекулы могут проникать через бислой в области структурных

дефектов. Этот процесс осуществляется по градиенту концентрации переносимого

вещества - из области, где его содержание высоко, в область с более низким

содержанием. Такой процесс называется простой диффузией, он осуществляется

неизбирательно и с низкой скоростью.

При облегченной диффузии вещества также переносятся в направлении их

концентрационного градиента, но с использованием специальных структур - пере-

носчиков или каналов, увеличивающих скорость и специфичность переноса. Извест-

303

Рис. 9.5. Перенос веществ через мембрану.
а - виды переноса; б - пассивный и активный транспорт: 1 - пассивная диффузия; 2 - диффузия

с помощью канала; 3 - диффузия с помощью переносчика; 4 - активный транспорт; 5 - вторич-

но-активный транспорт.

ны высокоспецифические транслоказы - белковые молекулы, переносящие аденило-
вые нуклеотиды через внутреннюю мембрану митохондрий: Nа

+

/Са

2+

-обменник -

белок, входящий в состав плазматических мембран многих клеток; низкомолекуляр-
ный пептид бактериального происхождения валиномицин - специфический перенос-
чик для ионов К

+

.

Облегченная диффузия, осуществляемая с помощью каналов, не обладает высо-

кой специфичностью (специфичность определяется лишь размерами канала), но
протекает с большей скоростью, а процесс переноса не достигает насыщения
в широком диапазоне концентраций переносимого вещества. Функционирование
каналов в меньшей степени зависит от фазового состояния мембраны, чем функцио-
нирование переносчиков. Все эти примеры относятся к пассивному транспорту через
мембрану.

Активный транспорт веществ осуществляется такими же механизмами, но проте-

кает против концентрационного градиента и для своего осуществления должен быть
сопряжен с энергодающим процессом. Основным источником энергии для активно-
го транспорта является АТФ. Поэтому, как правило, эти системы представляют
собой АТФазы. Примером систем активного транспорта ионов является Na

+

/K

+

-

АТФаза плазматических мембран животных клеток, которая «выкачивает» из
клетки ионы натрия в обмен на ионы калия, затрачивая на выполнение этой работы
АТФ в стехиометрии 3Nа

+

/2К

+

/1АТФ. Са

2+

-АТФаза осуществляет активный

транспорт кальция через мембрану со стехиометрией 2Са

2+

/1АТФ.

В так называемых сопрягающих мембранах имеются  п р о т о н н ы е насосы,

работающие как Н

+

-АТФазы. В результате их функционирования на мембране

304

Унипорт

Симпорт Антипорт

Котранспорт

а

Бислой

Канал

Транспортируемая

молекула

Энергия

Диффузия

б

Переносчик

1

2

3

4

5