Плазматическая мембрана

Все клетки снабжены тонкой хрупкой липопротеидной мемб­раной, регулирующей обмен между цитоплазмой и окружаю­щей средой. Толщина мембраны обычно составляет 5—10 нм. Исследование тонких срезов с помощью электронного микроско­па после фиксации перманганатом показало, что мембрана со­стоит из трех слоев: двух плотных линий толщиной 2—3 нм с промежутком между ними в 2,5—4 нм.

Согласно современной концепции все биологические мембра­ны, в том числе и плазматические мембраны млекопитающих, состоят из фосфолипидного бислоя с параллельно расположен­ными углеводородными цепями, примерно в 16 атомов углерода длиной. Этот бислой обладает некоторыми свойствами двумер­ной жидкости, а именно: каждая молекула липида может пере­мещаться в пределах своего монослоя, но не может переходить в другой монослой. Такая липидная матрица является основной структурой мембраны. В то время как некоторые молекулы бел­ков покрывают часть мембраны, особенно ее наружную сторо­ну, другие белковые цепи пронизывают липидный слой насквозь и, объединившись вместе, образуют заполненные водой поры или каналы [Wallach, Zahler, 1966]. Именно эти белки ответ­ственны за выполнение большинства функций мембраны, на­пример прием и преобразование химических сигналов, приносимых гормонами, нейромедиаторами, факторами роста и антигенами. Именно они формируют три основных типа кле­точных контактов: плотные, щелевые и синаптические. Кроме того, эти белки принимают участие в транспорте ионов и мо­лекул.

В жидкомозаичной мембране белки свободно передвигаются в липидном слое, образуя на поверхности клетки различные структуры [Singer, Nicolson, 1972].

Некоторые белки располагаются в бислое в виде спирале­видных палочек, другие выглядят как глобули (рис.

В мембранах двух соседних клеток одной ткани имеется ор­ганелла, регулирующая обмен ионами и молекулами между клетками, — коннексон. Коннексон представляет собой цилиндр, образованный шестью одинаковыми белковыми субъединицами, которые могут, двигаясь, закрывать или открывать внутренний канал [Unwin, Zampighi, 1980].

К особенностям строения плазматических мембран можно отнести влияние избытка ионов кальция, обеспечивающих ста­билизацию мембран и регулирующих функционирование ионных

Рис. 5.5. Плазматическая мембрана.

}

каналов. Стабильность биологических мембран достаточно вы­сока: например, при обработке фосфолипазой мембран эритро-¹ цитов, митохондрий и ЭР они теряют около 70% фосфатидилхо- лина (4.59). При этом уменьшается площадь мембран, но сохраняется целостность мембранных белков и не происходит никаких конформационных изменений [Trump et al., 1970].

Липиды, в которых преобладают фосфолипиды, состоят из лецитина (фосфатидилхолин), триглицеридов (обычные жиры), жирных кислот и холестерина (химия липидов см. разд. 4.4). Фосфолипидный бислой имеет характеристичную «точку плав­ления», т. е. температуру, при которой в нем происходит фазо­вый переход из твердого состояния в жидкое. Температура это­го перехода зависит от природы гидрофильных головок липи­дов, а также от длины и степени ненасыщенности углеводород­ных цепей. Липиды с длинными ненасыщенными углеводород­ными цепями имеют обычно и самые высокие точки плавления.

В большинстве биологических мембран липиды распределе­ны асимметрично. Наружную поверхность бислоя составляют главным образом нейтральные липиды, а отрицательно заря­женные компоненты, преимущественно фосфатидилсерин, сосре­доточены на внутренней стороне.

Содержащие холестерин мембраны отличаются повышенны­ми жесткостью и температурой плавления, так как плоские сте-¹ роидные циклы интеркалируют между длинными цепями моле-¹

кул фосфолипидов и ограничивают их подвижность [Coleman, 1973]. Этот вывод подтверждается и данными спектров ПМР и ЭПР (с использованием спиновых меток) искусственных фос­фолипидных мембран [Gent, Prestegard, 1974].

Мембраны содержат немало различных белков, среди кото­рых могут быть ферменты (например, аденозинтрифосфатаза) и рецепторные белки (разд. 2.1). Логично предположить, что¹ белки располагаются в мембране таким образом, что большин­ство полярных остатков аминокислот находится вне мембраны,, а большая часть остатков неполярных аминокислот — внутри.

В различных типах мембран молярное соотношение состав­ляющих их липидов и белков варьируется очень сильно: от од­ного предельного соотношения 9:1, характерного для миелино­вых мембран, покрывающих нервные волокна, до другого пре- дела, когда это соотношение (в мембранах митохондрий) равно 1 : 1. В состав липидов миелиновых мембран входят холестерин, фосфатидилэтаноламин и цереброзиды (представляющие собой' не содержащие фосфора продукты конденсации этаноламина, жирных кислот и гексозы), тогда как липиды мембран мито­хондрий преимущественно состоят из фосфатидилэтаноламина, лецитина и кардиолипина (фосфатидилглицерин).

А. Мембраны животных клеток. Плазматические мембраны животных клеток, как правило, обогащены фосфолипидами, а именно: фосфатидил-холином, -серинам и -этаноламином'. Предполагают, что каждому мембранному ферменту для выпол­нения своих функций необходим определенный фосфолипид [Coleman, 1973].

Б. Мембраны растительных клеток. Плазматическая мембра­на растительных клеток называется плазмалеммой. В настоя­щее время точно установлено, что плазмалемма служит осмотиче­ским барьером в клетке. Уникальной особенностью раститель­ных клеток является наличие в них крупных вакуолей, большей частью заполненных водным раствором, изотоничным цитоплаз­ме. Обычно вакуоли служат для хранения отходов. Однако в некоторых фазах роста клеток вакуоли наполняются фермен­тами. Тонопласт, окружающий вакуоли, по составу и свойствам, по-видимому, очень похож на плазматическую мембрану.

Во всех мембранах гриба Neurospora crassa имеются мио- инозитолсодержащие липиды. У мутантов, не содержащих ино­зитол, наблюдается вырождение мембран. Это свидетельствует о том, что миоинозитол необходим для сбалансированного роста этих дрожжей. Поэтому его аналоги могут останавливать их рост [Shatkin, Tatum, 1961]. Миоинозитол, вероятнее всего, на­ходится в мембранах в виде миоинозитол-1-фосфата (4.60).

Необходимым компонентом плазматической мембраны гри­бов, в том числе и дрожжей, является эргостерин. Поэтому ис­пользуемые в клинике полиеновые антибиотики, такие как ам- фотерицин В (5.14), повышают текучесть этих мембран и даже .разрушают их, внедряясь в мембрану вдоль стероида и нару­шая тем самым ее однородность (см. также разд. 14.3).

В. Мембраны бактерий. Цитоплазматическая мембрана бак­терий обладает целым рядом необычных свойств. При полном ■гидролитическом расщеплении клеточной стенки лизоцимом мембрана становится наружным слоем клетки. Ее толщина около 6—10 нм и иногда она может образовывать одиночные шпячивания в цитоплазму [Hughes, 1962]. Плазматическая мем­брана бактерий составляет примерно 10% сухого вещества клетки и содержит около 25% липидов.

В мембранных белках найдены только обычные аминокис­лоты. Из плазматических мембран различных бактерий хрома­тографически на липофильном сорбенте было выделено много белковых фракций, и оказалось, что к одной из них присоеди­нена ДНК одиночной бактериальной хромосомы [Daniels, 1971]. Юбычным компонентом мембран является РНК [Hughes, 1962].

Плазматические мембраны бактерий содержат также пер- ;меазы и ферменты, синтезирующие клеточную стенку [Crathorn, Hunter, 1958]. Из-за небольших размеров бактерий в них нет митохондрий, поэтому большинство митохондриальных фермен­тов расположено на плазматической мембране. Такое открытое расположение многих жизненно важных ферментов повышает уязвимость бактерий к действию избирательно токсических ве­ществ (см. также разд. 5.4.3).

В отличие от бактерий у другого класса прокариот — мико- плазм, не имеющих клеточных стенок, стероиды (чаще всего эргостерин) — это основные компоненты, обеспечивающие це­лостность мембраны. 'У растений и животных микоплазмы вы­зывают различные заболевания, легко поддающиеся лечению полиеновыми антибиотиками и тетрациклинами.

Г. Мембраны раковых клеток. Превращение здоровой клет­ки в раковую сопровождается отчетливыми изменениями струк­туры ее поверхности. Как было показано в экспериментах с внутриклеточным введением электродов, клетки образуют упо­рядоченную ткань благодаря своей способности чувствовать присутствие соседних клеток и с ними обмениваться информа­цией через плазматические мембраны [Loewenstein, Kanno, 1967]. Однако в злокачественных клетках отсутствует механизм регуляции роста клеток (см. также разд. 5.1)..

Повышенное содержание сиаловой кислоты (5.15) на по­верхности злокачественных клеток (например, лейкозных и лимфосаркомы человека) приводит не только к изменению их гликопротеинового состава, но и к видимым, структурным изме­нениям [Van Веек, Smets, Emmelot, 1975].

N-Ацетилнейраминовая кислота- (сиаловая нислота)

(5.15)

Д. Искусственные мембраны. На этих мембранах выполнено много исследований по изучению возбудимости мембран [Muel­ler, Rudin, 1967] и их проницаемости для ионов. Наиболее' удобным методом получения искусственных мембран является обработка ультразвуком смеси лецитина с водой. При этом образуется суспензия везикул с бислойной структурой [Huang, 1969]. На таких везикулах можно изучать транспорт веществ- через природные мембраны.

Взаимодействие и движение белков и липидов в мембранах, динамика мембран см. Houslay, Stanley (1982); структура m функция мембран см. Gomperts (1976), Chapman (1968—1982, 4 тома), а также Finean, Coleman, Michell (1978)'.

5.4.2.