МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ

Мембраны биологические (лат. membrana кожица, оболочка) — функционально активные поверхностные структуры клеток толщиной в несколько молекулярных слоев, ограничивающие цитоплазму и большинство внутриклеточных структур, а также образующие единую внутриклеточную систему канальцев, складок и замкнутых полостей.

Мембрану, ограничивающую цитоплазму клетки снаружи, называют плазматической или цитоплазматической мембраной, оболочкой клетки или плазмолеммой. Название внутриклеточных (субклеточных) мембран обычно происходит от названия ограничиваемых или образуемых ими субклеточных структур. Напр., различают митохондриальную, ядерную и лизосомную мембраны, мембраны комплекса Гольджи, эндоплазматического ретикулума, саркоплазматического ретикулума и т. д. (см. Клетка).

Толщина Мембраны биологической ок. 10 нм. однако вследствие сравнительно плотной упаковки основных молекулярных компонентов (белков и липидов) в Мембране биологической, а также большой общей площади клеточных мембран они составляют обычно более половины всей массы клетки (в пересчете на сухой вес). Функции, выполняемые Мембранами биологическими, чрезвычайно важны и разнообразны: формирование клеточных структур, поддержание внутриклеточного гомеостаза, участие в процессе возбуждения и проведения нервного импульса, фото-, механо- и хеморецепция, всасывание, секреция и газообмен, тканевое дыхание, запасание и трансформация энергии и т. д. Всем этим определяется общебиологическое значение М. б. как универсальной и доминирующей формы структурной и функциональной организации живой материи.

Огромное значение Мембран биологических определяется важностью перечисленных выше функций в процессах нормальной жизнедеятельности, а также многообразием заболеваний и патологических состояний, возникающих при нарушениях функций М. б. и проявляющихся на различных уровнях организации— от клетки и ее субклеточных систем до тканей, органов и организма в целом. Подавляющее число известных заболеваний человека и животных являются либо прямым следствием нарушений мембран, либо процессами и состояниями, в большей или меньшей степени сопряженными с ними.

История

Термин «мембрана» для обозначения поверхностных образований клетки был введен нем. исследователями Молем (H. Mohl, 1851) при описании плазмолиза клеток растений и Негели (С. W. Nageli, 1855) при изучении механизма осмотических явлений и проникновения в клетки красителей. В 1877 г. Пфеффер (W. F. Ph. Pfeffer) обосновал существование клеточной мембраны, продемонстрировав общность осмотических свойств клеток и осмометров, образованных искусственными полупроницаемыми мембранами. В 80-х гг. 19 в. Х. де Фрис обнаружил, что цитоплазма растительных клеток заключена между двумя мембранами — плазмолеммой и тонопластом.

Первые указания на то, что в состав мембраны клетки входят липиды, получил Овертон (Е. Overton, 1895—1902), к-рый обнаружил прямую связь между растворимостью многих веществ в липидах и их скоростью проникновения в клетку. В 1925 г. Гортер (E. Gorter) и Гренделл (F. Grendell) экспериментально показали, что в мембране эритроцитов количество липидов достаточно для построения двойного непрерывного слоя. Это позволило им высказать предположение, что поверхностная мембрана эритроцита содержит бимолекулярный липидный слой. Примерно в это же время Фрик (H. Fricke) измерил электрическую емкость мембран эритроцитов и получил величину —0,81 мкф/см², что соответствует слою диэлектрика (липида) толщиной 3,3 нм и толщине бимолекулярного слоя, образованного жирными к-тами с 16—17 углеродными атомами.

В 30-х гг. 20 в. Харви и Даниэлли (Е. N. Harvey, J, F, Danielli) показали, что величина поверхностного натяжения на границе жировых капель и цитоплазмы клеток ниже (~0,1 дин/см), чем для чистой границы раздела липид — вода (~10 дин/см). Это указывает на возможность спонтанного образования ассоциатов растворимых белков с ориентированными слоями липидов. Развивая эти представления, Даниэлли и Давсон (H. Davson) в 1935 г. выдвинули первую гипотезу о строении М. б., согласно к-рой мембрана состоит из двойного липидного слоя, покрытого с двух сторон слоями глобулярных белков.

Непосредственная возможность наблюдать биол, мембраны появилась лишь в 50-х гг. 20 в. вследствие развития метода электронной микроскопии и методик приготовления ультратонких срезов. Полученные снимки мембран позволили представить М. б. как трехслойные структуры толщиной порядка 10 нм для плазматических и несколько меньшей — для субклеточных мембран. Робертсон (J. D. Robertson) выдвинул гипотезу об однотипности строения всех биол, мембран и предложил унитарную схему строения мембраны. По Робертсону, белки М- б. могут разворачиваться на поверхности двойного липидного слоя под действием сил электростатического взаимодействия с заряженными головками молекул фосфолипидов; на наружной поверхности мембраны располагаются еще и молекулы гликопротеидов. Эта схема отражала важный принцип строения мембран — ее асимметричность.

Постепенно под влиянием новых фактов, и в первую очередь зернистости структуры мембран, к-рая просматривалась на снимках, полученных при большом увеличении, первоначальные представления о трехслойности мембран были пересмотрены. Вначале Луси (J. Lucy) высказывает предположение о мицеллярной организации липидного слоя в мембране. Шёстрандом (F. S. Sjostrand) была выдвинута гипотеза о глобулярной организации цитоплазматической мембраны в целом. Позже Грин (D. Е. Green) предложил схему организации мембран из субъединиц и сформулировал принцип повторяющихся единиц применительно к внутренней мембране митохондрий. Несмотря на то, что эта модель была тщательно разработана, она не давала удовлетворительного объяснения хорошо известному факту низкой проницаемости мембран для ионов. При этом тетерогенные частицы, образующие мембраны, не удалось получить при фрагментации мембран. Вызывало сомнение и то, что липидам в этой модели отводилась более чем скромная роль, а также практически полное отсутствие учета липид-белкового взаимодействия. В других моделях напр., в модели Бенсона) липид-белковому взаимодействию отводится, напротив, центральная' роль в формировании мембран.

В дальнейшем оказалось, что отказ от представлений о существовании сплошного бимолекулярного слоя был преждевременным. По новым воззрениям белки не выстилают поверхность липидного слоя, а как бы плавают на поверхности в виде отдельных глобулярных молекул или частиц, в большей или меньшей степени погруженных в мембрану. Эта жидкомозаичная модель, предложенная Ленардом и Сингером (J. Lenard, S. Singer), позволяет удовлетворительно объяснять целый ряд фактов, в частности зависимость многих физиологических функций мембран и активности отдельных мембранных ферментов от фазового состояния липидов в мембране и степени ее текучести (вязкости). Однако белок-белковое взаимодействие в этой модели учитывается недостаточно, и она не позволяет удовлетворительно объяснить экспериментально установленный факт сохранения структуры и основных параметров мембраны при извлечении из нее значительного количества липидов. Эти факты были в дальнейшем учтены в белковокристаллической модели, предложенной Вандеркои (G. Vanderkooi) и Грином, отличающейся фактически лишь наличием протяженных белковых структур, образующихся в результате осуществления дальнодействующих белок-белковых связей.

Наиболее популярными моделями Мембран биологических, стали жидкомозаичные. В то же время становится все более ясным, что мембраны отличаются друг от друга: они разнообразны по составу и специфичны в функциональном отношении. Тонкая организация мембран тесно взаимосвязана с их функциональным состоянием; и то, и другое характеризуется чрезвычайной чувствительностью к действию внешних факторов. При этом нек-рые мембраны проявляют отдельные черты, свойственные различным моделям, а иногда (напр., у нек-рых бактерий) мембраны представляют собой как бы набор фрагментов, соответствующих какой-то одной из разработанных моделей.

Состав и структура биологических мембран

В мембранах, полученных из разных источников, содержание липида колеблется от 25 до 70% (по массе), причем липидный состав многокомпонентен и исключительно изменчив. Единственной общей характеристикой липидов различных мембран является обязательное наличие в их составе так наз. амфипатичных липидов, проявляющих одновременно гидрофильные и гидрофобные свойства. Белковый состав мембран также исключительно разнообразен. Мембраны содержат большое число различных белков с относительным мол. весом (массой) от 25 000 до 230 000. Исключение составляют лишь мембраны палочек сетчатки, содержащие практически один белок — родопсин, и миелин, содержащий три типа белков. В зависимости от степени гидрофобности (т. е. числа и локализации гидрофобных аминокислотных остатков в полипептидной цепи) белки либо частично, либо целиком погружены в липидный слой мембраны и пронизывают его насквозь. В функциональном отношении мембранные белки подразделяют на ферменты, рецепторы, белки транспортных систем и структурные белки. В состав большинства мембран входят также углеводы (до 10% от общей сухой массы мембраны) в форме гликопротеидов и гликолипидов.

Основные компоненты М. б., как правило, синтезируются вне мембранной системы механизмов. Их включение в мембраны еще недостаточно изучено. В наиболее простых случаях, вероятно, участвуют обменные белково-липидные комплексы (напр., фосфолипиды). Возможно и сопряжение процессов биосинтеза с быстрым включением компонентов в мембрану (напр., Na+, К+ - АТФ-азы). По-видимому, отдельные компоненты могут встраиваться в мембраны независимо друг от друга, т. к. в мембранах, как правило, отсутствуют специфические центры роста. Вместе с тем не вызывает сомнений, что нек-рые липид-зависимые ферменты в определенных ситуациях встраиваются в мембрану одновременно с липидным окружением.

Мембранные структуры сформированы за счет сравнительно слабых сил гидрофобных и электростатических (ван-дер-ваальсовых) взаимодействий (см. Строение вещества). Ковалентные связи в формировании мембранных структур играют второстепенную роль. В связи с этим мембраны обладают рядом особых физ.-хим. свойств. Так, молекулярные компоненты сохраняют в мембранах довольно высокую подвижность. Различают внутримолекулярную подвижность, связанную с вращательной подвижностью вокруг одиночных связей, вращательную подвижность молекул в целом, движение молекул в плоскости мембраны (латеральная подвижность) и вертикальную подвижность молекулярных компонентов мембран (либо частичную, либо с переходом молекулы из одной половины мембраны в другую).

Обычно мембраны функционируют при температурах, когда жирнокислотные остатки фосфолипидов находятся в жидком (точнее жидкокристаллическом) состоянии (см. Жидкие кристаллы). В этом состоянии скорость диффузии фосфолипидов обеспечивает передвижение липидной молекулы за время порядка одной секунды. Переходы же липидов с одной половины бимолекулярного слоя мембраны на другую (так наз. переходы флип-флоп) совершаются сравнительно редко. Этот процесс, очевидно, должен быть заторможен в мембранах с выраженной асимметрией липидного состава, напр, в мембранах эритроцитов, в к-рых сфингомиелин и фосфатидилхолин находятся главным образом в наружной половине мембраны, а фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин — на ее внутренней стороне.

Белковые молекулы также проявляют довольно большую свободу движения в мембране. Так, скорость вращательного движения и латеральной подвижности нек-рых гликопротеидов (антигенных и рецепторных белков) соответствует скорости их свободной диффузии в среде соответствующей вязкости. Обнаружена также вертикальная подвижность мембранных белков, обычно сопряженная с их функциональным состоянием. Напр., глубина погружения родопсина в мембрану меняется в зависимости от функционального состояния белка. Свободное движение, однако, присуще не всем мембранным белкам. Часто они образуют устойчивые плотноупакованные образования (область межклеточных контактов, бляшки пурпурных мембран Halobacterium и др.) или строго ориентированные системы (компоненты электрон-транспортных цепей митохондрий, хлоропластов, эндоплазматического ретикулума и др.). Очевидно, подвижность белков ограничена в тех случаях, когда они находятся в липидном микроокружении, отличном по составу от основной массы липидов мембран.

В соответствии с различными типами подвижности мембранных компонентов наблюдается значительная гетерогенность в вязкости различных участков М. б. Низкие значения вязкости наблюдаются в углеводородном слое липидов, причем вязкость убывает к середине слоя в соответствии с градиентом вращательной подвижности углеводородных цепей липидов. Минимальные значения вязкости в середине липидного би-слоя, измеряемой при температурах выше точки фазового перехода, составляют сотые доли пуаз. Вязкость полярного слоя мембраны, измеренная по вращательной и латеральной подвижности молекул, соответствует единицам пуаз. В то же время общая вязкость мембран как структурного образования клетки, измеренная по величине механической деформации мембраны в целом, достигает 10⁷ — 10⁸ пуаз. Нек-рые другие физ.-хим. свойства мембран приведены в таблице.

Таблица. Сравнение некоторых физико-химических свойств биологических и искусственных фосфолипидных мембран

Важным универсальным свойством Мембран биологических различного таксономического, тканево-органного и цитологического происхождения является их способность к структурным перестройкам, вызываемым разнообразными экзогенными и эндогенными факторами. Как правило, структурные перестройки происходят без разрывов или образования новых прочных ковалентных связей и сводятся к изменениям межмолекулярных (и внутримолекулярных) взаимодействий, что приводит к переходам от одного минимума общей свободной энергии межмолекулярных взаимодействий в мембране к другому. В различных условиях эти переходы могут быть локальными или распространяться на значительные участки мембраны (а также захватывать всю мембрану). Структурные перестройки сопряжены с огромным числом важнейших функций мембран, а также с многочисленными патологическими состояниями, однако в большинстве случаев механизмы и роль этих переходов изучены недостаточно.

Важнейшие функции биологических мембран

Для клетки и субклеточных частиц мембраны выполняют роль механического барьера, ограничивающего их от внешнего пространства. При этом, очевидно, мембраны — это не жестко фиксированные структуры, а гибкие, лабильные, постоянно обновляющиеся образования, остающиеся прочными и эластичными при деформации.

Реальные условия функционирования клетки часто сопряжены с наличием значительных механических градиентов на ее поверхности, преимущественно вследствие осмотического и гидростатического давления внутри клетки.

Основную механическую нагрузку в этом случае несет клеточная стенка (оболочка), построенная у высших растений в основном из целлюлозы, пектина и экстепсина, а у бактерий — сложного полисахарида муреина. В клетках животных необходимость в жесткой оболочке отсутствует, поскольку осмотическое давление обычно сбалансировано деятельностью систем активного транспорта (см. Транспорт ионов). В ряде случаев нек-рую жесткость клеткам придают надмембранный слой толщиной 5—10 нм, образованный гликопротеидами, гликолипидами и кислыми мукополисахаридами, а также белковые структуры цитоплазмы, примыкающие к внутренней поверхности плазматической мембраны.

В клетках, лишенных жесткой клеточной стенки, в зависимости от условий микроокружения плазматическая мембрана может образовывать различного типа выросты и выпячивания.

Структуры, сформированные при участии внутриклеточных мембран, отличаются высокой функциональной специфичностью и значительной лабильностью. Внутриклеточные мембраны часто образуют сложные мембранные системы, такие, как внутренняя и наружная мембраны митохондрий (см.), стопки дисков рецепторных клеток сетчатки, объединения мембран эндоплазматического и саркоплазматического ретикулума и др. Суммарная поверхность мембран очень велика, что, очевидно, позволяет им осуществлять большие функциональные нагрузки. Единственной клеткой, имеющей лишь одну плазматическую мембрану, является эритроцит млекопитающих.

Перенос веществ через биологические мембраны и регуляция этого процесса — одна из центральных функций клеточных мембран. Эти процессы сопряжены с такими важнейшими биол, явлениями, как поддержание внутриклеточного гомеостаза, возбуждение и проведение нервного импульса, запасание и трансформация энергии, процессы метаболизма и т. д.

Перенос веществ через клеточные мембраны состоит из движения молекул растворенных веществ и из движения самой воды. Вода проникает через мембраны почти в 50 раз быстрее, чем этого можно было ожидать из расчетов на основе количества образуемых ею водородных связей. Этот факт всегда служил веским доводом в пользу существования в мембране пор. Однако ряд экспериментальных фактов противоречит существованию в М. б. каких-либо фиксированных пор, а гипотезы о механизмах, объясняющих быстрое проникновение воды через мембраны, нуждаются в уточнении.

Движение ионов через мембраны происходит либо пассивно (путем диффузии по концентрационным или электрическим градиентам), либо путем активного транспорта, идущего против хим. или электрохим. потенциала с затратой энергии (преимущественно энергии гидролиза АТФ) и сопряженного с работой специализированных мембранных систем — так наз. мембранных насосов.

Пассивное движение ионов (в особенности катионов) через чисто липидную мембрану сильно затруднено главным образом из-за большой энергии дегидратации ионов — процесса, необходимого для проникновения ионов в липидную фазу мембраны.

В присутствии различных ионофоров (см.), облегчающих дегидратацию катионов (валиномицин, нонактин, нигерицин) или формирующих в мембране канал ионной проводимости (грамицидин), пассивная проницаемость чисто липидных мембран для катионов возрастает на несколько порядков и часто становится сравнимой с проницаемостью М. б.

В М. б. функции пассивной ионной проводимости выполняют специфические липопротеиновые структуры, пронизывающие мембрану — так наз. каналы. Они могут находиться в «открытом» или «закрытом» состоянии, а их селективность (т. е. способность пропускать лишь определенные ионы) определяется геометрией канала, электрическими зарядами структур, окружающими канал, или белковыми субъединицами, контролирующими его работу. Высокая эффективность действия ионных каналов обеспечивает выполнение тех или иных специфических функций мембран при их относительно небольшом количестве (напр., число натриевых каналов в мембранах различных нервных клеток колеблется от десятков до нескольких сотен на 1 мкм², а их общая площадь составляет лишь доли процента от всей площади М. б. клетки).

Важной особенностью каналов пассивной проницаемости для ионов натрия и калия (напр., мембран эритроцитов) является их высокая чувствительность к содержанию внутриклеточного кальция. При возрастании концентрации ионов кальция в клетке пассивное движение ионов натрия и калия по градиенту их концентрации может превысить потоки, создаваемые натриевым насосом, что приводит клетку к целому ряду неблагоприятных последствий вплоть до гибели.

Пассивные потоки ионов через Мембраны биологические направлены на выравнивание градиентов и приведение ионной системы в равновесие. Активный транспорт — противоположный процесс, осуществляющий перенос ионов против градиента их концентрации и поддерживающий стационарные условия существования клетки (см. Транспорт ионов).

В М. б. различного происхождения обнаружены системы активного транспорта ионов натрия, калия, кальция и водорода. Наиболее изучен натриевый насос (система, перекачивающая ионы натрия из клетки и ионы калия в клетку против их электрохимических градиентов). Натриевый насос работает, как правило, в электрогенном режиме, т. е. отношение числа перенесенных ионов натрия к калию (Na⁺/K⁺) больше единицы — обычно оно равно 3/2. Процессы переноса ионов натрия и калия в насосе сопряжены (выделение натрия из клетки невозможно в бескалиевую среду). Однако неясно, всегда ли неразделимы эти процессы.

Гидролиз АТФ, обеспечивающий энергией перенос ионов, осуществляется основным компонентом натриевого насоса — Na⁺=K⁺-зависимой АТФ-азой; на каждую гидролизирующуюся молекулу АТФ транспортируется приблизительно три иона натрия и два — калия. Точная архитектура натриевого насоса и механизмы его работы еще не выяснены, хотя предполагают, что это липопротеиновая глобула, в состав к-рой входят две белковые субъединицы, имеющие на внутренней стороне мембраны центры связывания АТФ, фосфата и натрия, а на наружной поверхности — центры связывания калия. Предполагают, что непосредственный перенос ионов в натриевом насосе осуществляется в результате конформационных перестроек ионосодержащего фосфорилированного фермента с последующим отщеплением ионов (калий — внутрь клетки, а натрий — в окружающую среду) с восстановлением исходной конформации фермента.

Система активного транспорта ионов кальция и структура глобулы кальциевого насоса, локализованного в мембранах саркоплазматического ретикулума, имеет много общего с натриевым насосом. Основным компонентом насоса является кальцийзависимая АТФ-аза. Механизм переноса иона и АТФ-азной реакции включает образование фосфорилированного промежуточного продукта (в присутствии ионов кальция) и его последующий гидролиз. Стехиометрия этого процесса, измеряемая отношением Ca²⁺/АТФ, равна 2 в начале транспорта и резко снижается по мере накопления ионов кальция в везикулах. В солюбилизированном виде кальцийзависимая АТФ-аза представляет собой липопротеид с мол. массой 150 000. Мол. масса белковой части молекулы составляет примерно 100 000, и из нее удалось выделить полипептид с мол. массой 33 000, обладающий АТФ-азной активностью. Предполагается, что в работе кальциевого насоса в качестве фактора сопряжения участвует еще и липопротеид с мол. массой 6000 — 12 000. Кальциевый насос имеется и в мембране эритроцитов.

Активный перенос ионов водорода (протонов) осуществляется в сопрягающихся мембранах. Он также обеспечивается энергией за счет функционирования АТФ-аз. Хотя структура водородзависимой АТФ-азы не установлена, несомненно, что она несколько отличается от Ca²⁺- и Na⁺-, K⁺-АТФ-аз. H⁺-АТФ-аза имеет значительно большую молекулярную массу и иную четвертичную структуру; фосфорилирования фермента, по всей видимости, не происходит при гидролизе АТФ H⁺-АТФ-азной реакции, а переносимый ион (H⁺) является непосредственным продуктом АТФ-азной реакции.

Наиболее простым насосом, активно переносящим H⁺ через мембрану, по-видимому, является бактериородопсин галофильных бактерий. Этот содержащий ретиналь мембранный белок с мол. массой менее 27 000, образующий в мембране особые участки (бляшки), при освещении транспортирует ионы водорода из бактерий в окружающую среду.

Перенос различных органических веществ-неэлектролитов через клеточные мембраны также осуществляется различными механизмами. Наиболее простой путь — простая диффузия по концентрационным градиентам (см. Диффузия). Часто процесс переноса совпадает по направлению со свободной диффузией, но существенно превосходит ее по скорости. Этот процесс называют облегченной диффузией. Ускоренный транспорт веществ (аминокислот, сахаров, пуринов) по механизму облегченной диффузии должен приводить к быстрому выравниванию трансмембранных градиентов. Однако в клетке эти вещества обычно быстро утилизируются в метаболических процессах и трансмембранные градиенты сохраняются. Механизм процесса облегченной диффузии можно представить следующим образом: специфическое узнавание и связывание транспортируемого вещества переносчиком, последующий перенос его через мембрану (по градиенту концентрации), диссоциация комплекса и обратное движение переносчика по градиенту его концентрации. Роль переносчиков в этом процессе, вероятно, выполняют транспортные белки. В целом процесс не нуждается в энергии.

Организация транспортных систем еще более усложняется, когда система направлена на повышение концентрации транспортируемого вещества. В этом случае в транспортную систему должна подаваться энергия, но она поставляется не прямо за счет энергии гидролиза АТФ, а используется в виде энергии электрохимического градиента ионов, создаваемого ионными насосами.