Биомембраны

Клеточные мембраны ограничивают содержимое клетки (или клеточной органеллы) от окружающей среды. Огромная роль мембран в жизненных процессах связана с их относительно большой совокупной площадью. Так, общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Мембраны выполняют несколько важных функций.

Первая – барьерная. Она обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществ клетки с окружающей средой. Селективный – значит избирательный. Одни вещества переносятся через биологические мембраны, другие нет. Регулируемый – проницаемость мембраны для определенных веществ зависит от функционального состояния клетки. Активный – перенос от мест, где концентрация вещества мала, к местам с большей концентрацией.

Вторая – матричная. Она обеспечивает взаимное расположение мембранных белков и их оптимальное взаимодействие (например, взаимодействие мембранных фрагментов). И, наконец, третья – механическая. Эта функция обеспечивает прочность и автономность клеток и внутриклеточных структур.

Кроме того, биологические мембраны, выполняют и другие весьма важные функции: энергетическую (синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез углеводов в мембранах хлоропластов), генерацию и проведение биопотенциалов и рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая).

Мембрана создает существенные ограничения для проникновения различных веществ, однако она не является полностью непроницаемой. Небольшие нейтральные молекулы могут проникать через бислой в области «структурных» дефектов. Целостная структура мембраны создается за счет гидрофобных и электростатических 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 обеспечивает градиент кривизны и спонтанное образование замкнутых структур. Мембраны животных содержат три основных компонента: фосфолипиды, гликолопиды и холестерол. Несмотря на различия в составе, все мембранные липиды построены по единому плану и легко смешиваются друг с другом, образуя монослойные или бислойные структуры (рис. 6.12). В этих структурах реализуется два типа взаимодействий: ионные взаимодействия полярных «головок» и гидрофобные взаимодействия жирнокислотных цепей. Благодаря этому мицеллы и липосомы, создаваемые протяженными бислойными структурами, достаточно стабильны в водном окружении.

Отличительной чертой процесса образования липидного бислоя является способность к самоорганизации, поскольку подобные структуры оказываются устойчивыми не за счет ковалентных связей между образующих их молекулами, а по термодинамическим причинам. Формирующаяся в результате подобных процессов мембрана состоит из двойного слоя липидов с двумя гидрофильными поверхностями (экстрацеллюлярной и протоплазматической) и гидрофобной сердцевины (рис. 6.12). При этом для образования участка мембраны площадью 1 мкм² требуется около 5×10⁶ липидных молекул.

Рис. 6.12. Схематическое представление строения клеточной мембраны

Такая мембрана обладает универсальной особенностью – текучестью, под которой понимают нахождение мембранных липидов в состоянии непрерывного движения, связанного как с их вращением вокруг собственной оси, перпендикулярного плоскости бислоя (вращательная диффузия), так и с боковыми перемещениями в плоскости занимаемого ими слоя мембраны (латеральная или боковая диффузия). Обсуждение такой диффузионной подвижности, как с теоретической, так и экспериментальной точки зрения будет дано в Лекции 22.

Хотя основные структурные особенности цитоплазматической мембраны определяются свойствами липидного бислоя, большинство ее специфических функций осуществляется белками, которые составляют приблизительно 50% от массы большинства клеточных мембран и находятся в ней в соотношении одна белковая молекула на пятьдесят молекул липидов. Существует три основных способа ассоциации мембранных белков с липидным бислоем. Белки первого типа называются трансмембранными. Они пронизывают мембрану насквозь в виде одиночной или нескольких α-спиралей, и погружены в нее почти перпедикулярно. Типичным примером такого белка является родопсин. Белковые молекулы второго типа называются интегральными белками. Они погружены в гидрофобную область только одного липидного слоя и часто оказываются связанными с формирующими его молекулами ковалентными связями. Так, принимающий участие в процессах электронного транспорта цитохром с расположен с наружной стороны мембраны, в то время как F1-фрагмент АТФ-синтазы располагается на ее внутренней стороне. Белки третьего типа, называемые периферическими, в отличие от трансмембранных и интегральных белков не погружены в липидный бислой и не соединены с ним ковалентно. Они удерживаются вблизи мембраны электростатическими взаимодействиями. Описание свойств мембранных белков и их функций выходит за рамки нашей лекции, однако к структуре мембранных белков мы вернемся в Лекции 70, посвященной методу ЯМР.

Долгое время для описания цитоплазматических мембран использовалась модель неструктурированной двумерной жидкости, в которую встроены индивидуальные белки, Эта модель получила название жидкой мозаичной модели. Позже она была заменена на более структурированную модель, в которой постулировано существование кластеров мембранных белков, имеющих размеры от нескольких до сотен нанометров. Поэтому вопрос о диффузионной подвижности таких кластеров является одной из ключевых задачей мембранологии. Его рассмотрение будет дано в Лекциях 18 и 19, посвященных поступательному и вращательному трению, соответственно. В заключение заметим, что большинство мембранных белков способны вращаться вокруг своей оси или перемещаться латерально в плоскости мембраны и вносят свой вклад в ее текучесть. Однако как мы покажем в Лекции 22, скорости такой диффузии гораздо меньше, чем у мембранных липидов.