Строение и свойства биомембран

К биомембранам относят плазматические мембраны клеток, ядерную мембрану, мембраны эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, мембраны лизосом, пероксисом, митохондрий, хлоропластов, суперкапсиды вирусов, а также некоторые специализированные мембраны отдельных организмов. Все они имеют классическую структуру – липидный бислой с вкраплениями белковых молекул, и можно говорить, что принципиально их структурная организация не различается.

Биомембраны выполняют различные функции:

· ограничивающая функция. Биомембраны окружают все про- и эукариотические клетки, обосабливая живое от неживого или отдельные клетки в многоклеточном организме, а также содержимое отдельных органелл в эукариотических клетках, что позволяет в каждой из них осуществляться специфическим процессам;

· барьерная функция. Биомембраны – это высокоизбирательный барьер для большинства веществ, стремящихся попасть в клетку (органеллу) или покинуть ее;

· мембраны обусловливают индивидуальность клеточных поверхностей, что особенно важно для многоклеточных животных организмов, лишенных клеточных стенок. Это позволяет клеткам взаимодействовать между собой, формируя органы и ткани;

· только на мембранах осуществляются такие процессы запасания энергии, как окислительное фосфорилирование и фотофосфорилирование;

· многие ферментативные реакции осуществляются только в мембранах, и биомембраны воздействуют на активность многих ферментов;

· только на мембранах осуществляются генерация и перенос нервных импульсов, мембранные структуры обладают рецепторной функцией;

· обязательного участия мембран требуют такие жизненно важные процессы, как синтез белка, репликация ДНК, модификация и секреция белков, регуляция метаболизма, основанная на гормональном ответе.

Биомембраны представляют собой природные пленки толщиной 5−7 нм, состоящие в основном из липидов (фосфо-, гликолипидов и холестерина), которым принадлежит структурная функция, и белков, определяющих разнообразие мембран и уникальность их свойств. Кроме того, в состав мембран входят углеводы, присутствующие там в составе гликолипидов и гликопротеинов. Для объяснения организации биомембран предложено несколько моделей, из которых общепринятой в настоящее время считается жидкостно-мозаичная модель С. Дж. Сингера и Г. Л. Николсона, предложенная в 1971 г. Согласно этой модели, основой мембран служит текучий липидный бислой, в котором остатки жирных кислот фосфолипидов находятся в жидкокристаллическом состоянии. В бислой погружены и встроены молекулы белков, также способные к движению (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Жидкостно-мозаичная модель строения цитоплазматической мембраны

Липидный состав мембран различен, и содержание того или иного липида, по-видимому, связано с разнообразием функций, которые выполняют эти липиды в мембране. Наличие липидов обусловливает такие свойства биомембран, как высокое электрическое сопротивление, непроницаемость для ионов и других полярных соединений (исключение составляет вода), проницаемость для неполярных соединений.

Холестерин является важным компонентом мембран клеток животных, определяющим текучесть мембраны. Его роль заключается в ингибировании фазовых переходов, связанных с изменением температуры, и предотвращении слипания и кристаллизации углеводородных цепей. Кроме того, холестерин увеличивает механическую прочность бислоя. Молекулы холестерина располагаясь в гидрофобной зоне мембраны между гидрофобными хвостами молекул фосфо- и гликолипидов, препятствуют их кристаллизации, а также снижают возможность латерального перемещения липидов и белков и поэтому могут влиять на функции мембранных белков. Гидроксильная группа холестерина контактирует с гидрофильными головками фосфо- и гликолипидов. С другой стороны, наличие холестерина в мембранах уменьшает подвижность цепей жирных кислот и тем самым снижает текучесть мембран. Благодаря этим противоположным эффектам холестерина текучесть мембран поддерживается на оптимальном уровне.

Мембранные белки выполняют следующие функции: обусловливают перенос веществ через мембраны (транспортная функция), осуществляют катализ, обеспечивают процессы фотофосфорилирования и окислительного фосфорилирования, репликацию ДНК, трансляцию и модификацию белков, рецепцию сигналов и передачу нервного импульса и др. Состав мембранных белков варьирует в зависимости от функции мембраны, содержащей данные белки.

Мембранные белки различаются по своему положению в мембране, их делят на две группы: интегральные и периферические. Критерием такого разделения служит степень прочности связывания белка с мембраной. Периферические белки связаны с полярными головками липидов или с другими (интегральными) белками мембраны при помощи слабых электростатических взаимодействий либо с помощью гидрофобных взаимодействий – с неполярными хвостами липидов. Интегральные белки – это амфифильные молекулы, которые имеют на своей поверхности большие гидрофобные участки, располагаются между липидами бислоя и пронизывают мембрану насквозь, часто возвышаясь над ее поверхностью. Гидрофобные участки интегральных белков взаимодействуют с гидрофобными хвостами липидных молекул внутри бислоя, а гидрофильные участки обращены к водной среде с обеих сторон мембраны.

Следовательно, периферические и интегральные белки в разной степени поддаются выделению их из мембраны. Периферические белки высвобождаются в раствор при экстракции их буферным раствором с низкой ионной силой, низкими значениями рН, в присутствии хелатирующих агентов (например, этилендиаминотетраацетата (ЭДТА)), связывающих двухвалентные катионы (ионы тяжелых металлов, ингибирующие активность ферментов). Интегральные белки можно выделить только после полного разрушения бислоя с помощью детергентов или органических растворителей.

Способы прикрепления белков к мембране довольно разнообразны.

Липидный бислой является непроницаемым барьером для большинства водорастворимых молекул и ионов, и их перенос через мембраны зависит от деятельности транспортных белков. Выделяют два основных типа транспортных белков: каналы (поры) и переносчики. Каналы – это туннели, пересекающие мембрану, в которых места связывания транспортируемых веществ доступны на обеих поверхностях мембраны одновременно. Каналы в процессе транспорта веществ не претерпевают каких-либо конформационных изменений, их конформация меняется только при открывании и закрывании. Переносчики, наоборот, в процессе переноса веществ через мембрану изменяют свою конформацию. Причем в каждый конкретный момент времени место связывания переносимого вещества в переносчике доступно только на одной поверхности мембраны.

Каналы, в свою очередь, делят на две группы: потенциалзависимые и регулируемые химически. Примером потенциалзависимого канала является K⁺,Na⁺-канал, его работа регулируется изменением напряжения электрического поля, т. е. эти каналы открываются и закрываются в ответ на изменение трансмембранного потенциала. Химически регулируемые каналы открываются и закрываются в ответ на связывание специфических химических агентов. Термины «пора» и «канал» обычно взаимозаменяемы, но под каналами чаще понимают ионные каналы, а поры представляют собой неселективные структуры, различающие вещества по размеру и пропускающие достаточно малые молекулы.

Переносчики также делят на две группы: пассивные и активные. С помощью пассивных переносчиков через мембрану транспортируются вещества одного типа. Пассивные переносчики задействованы в облегченной диффузии и лишь увеличивают поток вещества, осуществляемый по электрохимическому градиенту. Активные переносчики транспортируют вещества через мембрану с затратами энергии. Эти транспортные белки накапливают вещества на одной из сторон мембраны, перенося их против электрохимического градиента. Скорость транспорта зависит от типа переносчиков. Часто для обозначения отдельных переносчиков используют термины «пермеаза», «транслоказа», являющиеся синонимами термина «переносчик».

В клеточных мембранах функционирует большое количество различных ферментов. Одни из них локализуются в мембране, катализируя превращения гидрофобных соединений; другие располагаются в мембране в строгой очередности, катализируя последовательные стадии жизненно важных процессов; третьи нуждаются в содействии липидов для стабилизации своей конформации и поддержания активности. В биомембранах обнаружены ферменты – представители всех известных классов. Они могут пронизывать мембрану насквозь, присутствовать в ней в растворенной форме или, являясь периферическими белками, связываться с мембранными поверхностями в ответ на какой-либо сигнал. Выделяют следующие типы мембранных ферментов:

1. Трансмембранные ферменты, катализирующие сопряженные реакции на противоположных сторонах мембраны. Они имеют несколько активных центров, расположенных на противоположных сторонах мембраны. К ним относятся компоненты дыхательной цепи или фотосинтетические редокс-центры, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, связанные с транспортом электронов и созданием ионных градиентов на мембране.

2. Трансмембранные ферменты, участвующие в транспорте веществ. Например, транспортные белки, сопрягающие перенос вещества с гидролизом АТР, обладают каталитической функцией.

3. Ферменты, катализирующие превращение связанных с мембраной субстратов. Они участвуют в метаболизме мембранных компонентов – фосфо-, гликолипидов, стеринов и др.

4. Ферменты, участвующие в превращениях водорастворимых субстратов. С помощью мембран ферменты могут концентрироваться в тех областях мембран, где содержание их субстратов наибольшее. Например, ферменты, гидролизующие белки и крахмал, прикрепляются к мембранам микроворсинок кишечника.

К мембранным белкам относятся также белки цитоскелета. Цитоскелет – это сложная сеть белковых волокон разного типа, присутствующая только в клетках эукариот. Цитоскелет обеспечивает механическую опору для плазматической мембраны, определяет форму клетки и местоположение органелл. С участием цитоскелета осуществляются эндо- и экзоцитоз, фагоцитоз, амебоидное движение. Таким образом, цитоскелет является динамическим каркасом клетки.

Цитоскелет формируется из волокон трех типов – микрофиламентов, промежуточных филаментов и микротрубочек. Эти структуры пронизывают клетку в разных направлениях и тесно связываются с плазматической мембраной, прикрепляясь к ней в некоторых точках. Эти участки мембраны играют важную роль в межклеточных контактах, трансмембранном распределении липидов и белков в мембранах, с их помощью клетки прикрепляются к субстрату.

Углеводные компоненты содержатся в мембранах эукариотических клеток в составе гликопротеинов и гликолипидов – олигосахаридных боковых цепей, ковалентно присоединенных к мембранным белкам и в меньшей степени к липидам. Гликолипиды представлены производными сфингозина с одним или более остатками сахара. В мембранных гликопротеинах одна или несколько углеводных цепей присоединены к боковым цепям серина, треонина или аспарагина. Олигосахаридные цепи гликопротеинов и гликолипидов в плазматических мембранах локализованы исключительно на наружной стороне мембраны, так как они обладают ярко выраженными гидрофильными свойствами. Подавляющая часть белков плазматической мембраны, выступающих на поверхности клеток, в том числе рецепторов и транспортных белков, связана с остатками сахаров. Углеводные компоненты гликопротеинов способствуют поддержанию асимметрии биомембран, а также защищают белок от протеолиза и участвуют в межклеточном узнавании и адгезии. Гликолипиды так же, как и гликопротеины, выполняют роль рецепторных молекул, которые взаимодействуют с внеклеточными компонентами и инициируют специфический клеточный ответ.

Характерные свойства биомембран. Несмотря на различия в составе формирующих мембраны компонентов, можно выделить следующие свойства биомембран, позволяющие говорить об универсальности их строения.

Текучесть мембраны. Это свойство обусловлено постоянным движением мембранных компонентов. Мембраны – это динамические структуры, в которых липиды и белки совершают движения разных типов с различной скоростью. Эти свойства характеризуют жидкокристаллическое состояние мембраны. При переходе мембраны в фазу геля ее текучесть уменьшается и, следовательно, резко нарушается организация и функционирование компонентов мембраны (особенно белков). Поэтому организмы стараются поддерживать мембраны в жидкокристаллическом состоянии. Прокариоты регулируют текучесть своих мембран путем изменения числа двойных связей и длины углеводородных цепей в липидных молекулах. У эукариот ключевым регулятором текучести мембран является также холестерин.

Для компонентов мембраны характерны следующие типы движения:

1. Вращательное движение (вокруг продольной оси, перпендикулярной плоскости бислоя) липидных молекул, которое совершается очень быстро с частотой 10⁹−10¹⁰ с^-1. При этом наибольшая подвижность наблюдается у центра бислоя, а наименьшая – около полярных головок. Вращательное движение характерно и для большинства мембранных белков, но с гораздо меньшей скоростью, так как белки имеют больший размер и часто формируют агрегаты.

2. Латеральное перемещение (в плоскости мембраны) молекул липидов. Скорость латеральной диффузии зависит от микровязкости мембран, которая, в свою очередь, зависит от относительного содержания насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Плотность упаковки, а следовательно, и микровязкость меньше при преобладании ненасыщенных и больше при преобладании насыщенных жирных кислот. За 1 с фосфолипидная молекула совершает 1000–100 000 скачков с размером шага, равным ее диаметру (~1 нм). Латеральная диффузия белков органичена, что обусловлено большим размером белковых молекул, их связью с другими белками или с цитоскелетом.

3. Миграция молекул с одной стороны мембраны на другую (флип-флоп перескок), или трансмембранные перемещения. Это наиболее медленный способ движения мембранных компонентов, его скорость для фосфолипидов составляет несколько суток. Причиной такого медленного движения является его энергетическая невыгодность: липиду с полярной головкой требуется пересекать гидрофобную область бислоя. Однако этот тип движения может ускоряться в присутствии некоторых интегральных белков или при возмущениях в бислое. Для белков в естественных мембранах флип-флоп перескок пока не обнаружен. Считается, что белки, находясь в плоскости бислоя, не меняют своей топологической ориентации. Они встраиваются в мембрану в строго определенной ориентации относительно обеих ее поверхностей и остаются в таком положении в течение всего времени их жизни.

Асимметрия мембраны. Все природные мембраны асимметричны, что обусловлено различиями в составе омывающих их сред и составе липидов, белков и углеводов наружной и внутренней поверхностей мембраны (поперечная асимметрия). Например, наружная поверхность плазматической мембраны контактирует с окружающим водным раствором, а внутренняя поверхность – с клеточным содержимым. Кроме того, поверхности мембраны различаются по своей кривизне: наружная поверхность выпуклая, а внутренняя – вогнутая. В результате липидные, белковые и углеводные молекулы распределены между двумя слоями бислоя асимметрично. Например, гликолипиды всегда встроены в наружную часть бислоя, так что их углеводная часть направлена во внеклеточную среду. Еще большую асимметрию имеют в мембранах интегральные и периферические белки, которая обусловлена отсутствием трансмембранных перемещений белков на всем протяжении их существования в мембране.

Асимметрию мембран также определяет взаимодействие липидов с цитоскелетом. Трансмембранная асимметрия обусловливает чувствительность мембраны к изменениям среды по обе ее стороны и очень важна для функционирования клетки.

Между внутренними мембранами эукариот происходит постоянное перераспределение липидных молекул в ходе процесса межмембранного транспорта липидов, который обеспечивается специфическими белками. Это позволяет клетке регулировать скорость протекающих в мембранах процессов.