Принцип строения

Несмотря на то, что между мембранами существуют определенные различия, все они построены по одному и тому же принципу. В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная С. Сингером и Г. Николсоном в 1972 году (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Модель строения биомембраны

В основе биомембран – двойной слой амфифильных липидов(или липидный бислой).

Конкретно, практически каждая молекула мембранного липида имеет гидрофильную «головку» и два гидрофобных «хвоста» (рис. 1.3). Каждый из последних представляет собой длинную углеводородную цепь, причем обычно одна из этих цепей – предельная ( т.е. не содержит двойных связей), а вторая – непредельная (имеет одну или более двойных связей). Полярные головки несут на себе отрицательные заряды или могут быть нейтральными ( в случае если они имеют одновременно и отрицательный и положительный заряды). Наличие неполярных (не несущих зарядов) 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, а заряженные (гидрофильные) головки будут торчать в водную фазу.

Если к липидам добавить масло, то образуются мицеллы, как бы вывернутые наизнанку: их гидрофобные хвосты будут обращены в масляную фазу, а заряженные (гидрофильные) головки будут располагаться внутри мицеллы (рис. 1.4).

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 беря смеси разных липидов, можно получить бимолекулярные слои или мембраны толщиной около 7,5 нм, где периферические зоны слоя, смотрящие в водную фазу, будут содержать исключительно полярные головки, а незаряженные хвосты будут образовывать общую гидрофобную центральную зону такой образовавшейся мембраны.

Эта способность липидов самопроизвольно образовывать мембранные структуры определяется свойствами самих липидов, а именно наличием в их структуре полярных головок и неполярных хвостов.

В таких искусственных 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. При окраске четырехокисью осмия в электронном микроскопе видна трехслойная структура искусственных мембран: два темных периферических слоя толщиной 2,5 нм и светлый, центральный, примерно такой же толщины. Естественные клеточные мембраны имеют такое же строение.

Необходимо подчеркнуть, что как искусственные, так и естественные мембраны не представляют собой плоские слои, они всегда замкнуты сами на себя,образуя полые вакуоли, пузырьки, везикулы, плоские замкнутые мешки или трубчатые образования.

Представление о том, что в основе клеточных мембран лежит двойной липидный слой, было сформулировано еще в 1920-х годах. Если экстрагировать липиды из оболочки эритроцитов, а затем поместить липиды на поверхность водного мениска, то можно рассчитать площадь, занимаемую образовавшимся монослоем липидов. Оказалось, что эта площадь вдвое больше площади, занимаемой поверхностью эритроцитов, из которых были экстрагированы липиды. Было сделано предположение, что в мембранах эритроцитов липиды располагаются в два слоя. К тому же оказалось, что поверхностное натяжение мембраны клетки (1—2 дин/см²) значительно ниже, чем поверхностное натяжение искусственного липидного слоя (7—15 дин/см²). Обнаружено, что при добавлении белка к липидам поверхностное натяжение снижается до величины, характерной для поверхностного натяжения клеток.

Образовавшиеся искусственные липидные мембраны служат непроницаемым барьером для любых заряженных молекул, даже для ионов солей. Это определяет основное функциональное свойство мембран — служить преградой для свободной диффузии через слой липидов. Такое свойство может быть использовано для практических целей. Например, при смешивании липидов в водной среде образуется масса полых мембранных пузырьков — липосом (рис. 1.5). Жидкость, попавшая внутрь этих пузырьков, уже не может свободно обмениваться с жидкостью, находящейся снаружи. Таким способом искусственные мембраны липосом можно «загрузить» лекарственными веществами, которые могут в нужных концентрациях поступать к клеткам.

Кроме того, в состав мембран входят белки. В среднем в липопротеидных мембранах белки по массе составляют 50%. Но 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%.

Белковые молекулы как бы вкраплены в билипидный слой мембраны. Часть из них связана с липидными головками с помощью ионных (солевых) связей и поэтому легко экстрагируется из мембран растворами солей. Другие образуют солевые связи с полярными участками липидов через взаимодействие с ионами Мg²⁺ или Са²⁺. Данные белки экстрагируются с помощью хелатных соединений, таких как версен (ЭДТА). Эти легко экстрагируемые белки большей частью расположены на мембранах со стороны цитоплазмы и в цитоплазматической мембране тесно связаны с белковыми структурами цитоскелета.

Большая часть белков взаимодействует с липидами в составе мембран на основе гидрофобных связей. Оказалось, что многие мембранные белки состоят как бы из двух частей: из участков, богатых полярными (несущими заряд) аминокислотами, и участков, обогащенных неполярными аминокислотами (глицином, аланином, валином, лейцином). Эти белки в липидных слоях мембран располагаются так, что их неполярные участки как бы погружены в «жирную» часть мембраны, где находятся гидрофобные участки липидов.

Полярная (гидрофильная) часть таких белков взаимодействует с головками липидов и обращена в сторону водной фазы (рис. 1.6), поэтому эти белки, связанные с липидами путем гидрофобных взаимодействий, практически не экстрагируются в водных фазах. Их можно выделить, лишь разрушая мембрану, экстрагируя из нее липиды или органическими растворителями, или детергентами. Поэтому эти белки мембран и называют интегральными.

Размер интегральных мембранных белков в среднем равен 8 нм, но встречаются крупные белки —до 35 нм величиной (белок тилакоидов хлоропластов). Обычно это очень асимметричные по своей природе белки и соответственно асимметрично локализованы в мембране: их разные функциональные части локализованы по обе стороны мембраны, и все белки данного типа расположены одинаково. С цитоплазматической стороны мембраны интегральные белки связаны с периферическими белками.

Эти представления, полученные при изучении химии клеточных мембран, были блестяще подтверждены морфологическими исследованиями. При использовании метода замораживания-скалывания скол через мембраны может идти через центральную, липидную, зону. В этом случае обнажается масса глобул белко­вой природы, находящихся в составе липидного слоя. Размер таких глобул около 4—8 нм. Эти и другие биохимические данные послужили основой для создания модели мембраны с мозаичной укладкой: мембрана состоит из неплотно упакованных глобулярных белков, свободное пространство между которыми заполнено липидными молекулами. При этом часть белков может быть связана только с полярными группами липидов и находится на поверхности билипидного слоя; другие белки могут частично или даже полностью погружены из-за гидрофобных свойств своих участков в липидный слой; третьи — пронизывают мембрану насквозь. Интересно, что большая часть липидных молекул (70%) не связана с белками, так что белковые молекулы как бы плавают в «липидном озере».

Кроме липидов и белков, во многих (хотя не во всех) мембранах обнаруживаются углеводы,но не в качестве самостоятельных комплексов, а как составные части соответствующих липидов (гликолипидов) и белков (гликопротеинов). Чаще всего углеводы представлены олигосахаридными цепями и в случае плазмолеммы расположены с наружной ее поверхности. Наличие углеводного компонента характерно практически для всех мембран клетки, но особенно для мембран вакуолярной системы и плазматической мембраны. Углеводы мембран представляют собой короткие линейные или разветвленные цепочки, в состав которых входит галактоза, манноза, фруктоза, сахароза, N-ацетилглюкозамин, N-ацетилгалактозамин, пентозы (арабиноза и ксилоза), а также нейраминовая (сиаловая) кислота. Значение этого компонента очень велико для функционирования плазматической мембраны.