1.2. Мембранный принцип организации протопласта и органоидов

Основу живой материи составляют высокомолекулярные органические вещества – белки, нуклеиновые кислоты и некоторые другие. Их называют биополимерами. Однако, оживают биополимеры лишь тогда, когда они в определенном порядке располагаются в пространстве, определенным образом взаимодействуют друг с другом. Основные биологические структуры, обеспечивающие такое взаимодействие, называют биомембранами.

Мембраны составляют не только наружную оболочку, многие клетки буквально начинены сложной системой внутренних мембран.

Клеточные мембраны играют важную роль по ряду причин. Они отделяют клеточное содержимое от внешней среды, регулируют обмен между клеткой и средой, делят клетки на отсеки, или компартменты, предназначенные для тех или иных специализированных метаболических путей. Некоторые химические реакции, в частности световые реакции фотосинтеза в хлоропластах или окислительное фосфорилирование при дыхании в митохондриях, протекают на самих мембранах. Здесь же на мембранах располагаются рецепторные участки для распознания стимулов, поступающих из среды или из другой части самого организма. Знакомство со всеми свойствами клеточных мембран необходимо для понимания функционирования клетки в целом.

Становление наших представлений о строении и функционировании биологических мембран неразрывно связано с прогрессом технических средств, используемых биологами в экспериментах. Началось все с первых экспериментов Левенгука, смастерившего в 1674 году простейший микроскоп. Однако, понадобилось более 150 лет для того, чтобы сформировать принципы устройства клеток животных и растений, и более 200 лет, чтобы биологическая мембрана заняла одно из центральных мест среди внутриклеточных структур.

Введение в практику электронного микроскопа позволило подойти к решению вопросов, связанных с внутриклеточными структурами.

С конца прошлого века известно, что мембраны способны пропускать воду и другие малые молекулы; через них диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты и ионы, причем сами мембраны активно регулируют этот процесс – одни вещества пропускают, другие нет.

Ранние работы Э. Овертона и Р. Колландер с сотр. в конце IХХ и начале ХХ вв. по измерению проницаемости мембран показали, что органические растворители, например спирт, эфир, хлороформ, проникают через мембраны даже быстрее, чем вода. Это свидетельствует о том, что в мембранах есть какая-то неполярная часть; иными словами, как оказалось, мембраны содержат липиды. Позже данное предположение удалось подтвердить химическим анализом.

Основным строительным материалом мембран являются белки и липиды. Весовое соотношение их примерно 40 % липидов и 60 % белков. Однако у некоторых мембран это соотношение может быть и иным.

В биологических мембранах липиды представлены главным образом фосфолипидами и стероидами. Все мембранные липиды обладают выраженной амфифильностью, т. е. в их структуре представлена полярная часть, обладающая сродством к воде, и неполярная, нерастворимая в воде. Именно благодаря этому липиды в воде образуют мицеллы – замкнутые структуры, в которых полярные группы выставлены наружу, а неполярные углеродные цепи спрятаны внутрь, и, контактируя с друг с другом, прячутся от воды.

По-видимому, липидный состав мембраны успел оформиться уже на ранних этапах биологической эволюции, о чем свидетельствует принципиальная близость набора липидов у разных организмов.

В торой компонент мембран представлен белками. Белки – высокомолекулярные соединения, относящиеся к классу линейных биополимеров. Они состоят из отдельных элементарных единиц, в роли которых выступает 20 различных аминокислот. Аминокислоты имеют общую структурную форму:

Все аминокислоты амфолиты, объединяющие в себе положительно заряженную аминогруппу NH₃⁺ и отрицательно заряженную группу СОО^–. Заряженность аминокислот контролируется концентрацией водородных ионов в среде (рН) – в кислых средах господствует положительный заряд (NH₃⁺, СООН), в нейтральных – нулевой (NH₃⁺, СОО^–), в щелочных – отрицательный (NH₂⁺, СОО^–). Но в физиологическом интервале рН (6–8) аминокислоты имеют и отрицательный и положительный заряды.

С участием амино- и карбоксильных групп происходит полимеризация аминокислот, т. е. образование полипептидной цепи.

Молекулярная масса мембранных белков колеблется между 12 000 и 500 000 дальтон. По силе сцепления с мембраной белки разделяют на два класса – периферические и интегральные. Первые слабо связаны с мембраной и отделяются от нее при самых различных воздействиях: многократной промывкой водой или гипертоническими растворами солей, слабыми детергентами и ультразвуком. Эти белки не вступают в тесное взаимодействие с липидами и отделяются от мембраны в чистом виде. По аминокислотному составу периферические белки напоминают многие немембранные.

Более липофильные интегральные белки, составляющие свыше половины общего фонда, прочно связаны с липидным бислоем. Их удается выделить с помощью детергентов и малополярных растворителей, причем обязательно в комплексе с липидом. Лишившись липидной рубашки, интегральные белки теряют активность и немедленно агрегируют.

В мембранах присутствуют и углеводы, ковалентно связанные либо с белками (гликопротеиды), либо с липидами (гликолипиды). Углеводные компоненты этих соединений в основном нейтральные сахара, гексозоамины и сиаловые кислоты.

Чрезвычайно важным структурным компонентом биологических мембран является вода, составляющая примерно 30 % от сухого веса мембраны. Вода в мембранах находится в связанном с белковыми и липидными молекулами состоянии.

Ведущую роль в удержании белков и липидов в составе биологических мембран играют нековалентные физико-химические связи. И хотя они значительно слабее ковалентных, им удается обеспечить исключительные свойства мембран и, прежде всего их высокую механическую прочность и упругость.

В состав мембран входят и неорганические вещества, среди которых большую структурную роль играют ионы Са²⁺ и Mg²⁺.

Первые факты в исследовании собственно мембран были получены Гортером и Гренделом в 1925 г. при работе с липидами, экстрагированными из эритроцитов. Они показали, что площадь, которую покрывают эти липиды, примерно вдвое превышает площадь поверхности этих клеток. Таким образом, количество липидов, присутствующих в клетке достаточно для образования двойного слоя в мембране. Кроме того, как мы уже сказали, проникновение молекул через мембрану зависит от относительной растворимости в липидах.

Все эти факты, в конце концов, привели к представлению о двойном липидном слое, образующем основу биологической мембраны. С другой стороны, отмечалось более низкое поверхностное натяжение клеточных мембран по сравнению с липидными каплями. Поэтому Даниели и Давсон в 1931 году предложили модель мембраны, в которой гидрофильные участки липидных молекул на поверхности бимолекулярного липидного слоя постоянно связаны водородными связями с глобулярным белком.

Как предположили Даниели и Давсон, двойной липидный слой с белком, адсорбированными на обеих его сторонах, должен иметь толщину примерно 7–8 нм, толщина собственно липидного слоя должна составить около 4 нм.

На основании липидной теории трудно объяснить известные факты о проницаемости мембран для воды. Молекулы воды являются гидрофильными частицами, а проникают через мембрану крайне легко. Поэтому модель мембраны Даниели – Давсона была исправлена путем добавления накопленных водой пор, выложенных белковым слоем.

В настоящее время мембрану представляют как жидкокристаллическую структуру мозаичного строения. Один из авторов мозаичного строения мембраны сказал, что видит мембрану в виде липидного моря, в котором плавают белковые айсберги. Правда, вскоре выяснилось, что белковые айсберги не всегда плавают свободно, а могут быть заякорены за цитоплазматические структуры – микрофиламенты и микротрубочки.

На электронных микрофотографиях растительной клетки отчетливо видны две мембраны. Плазмалемма и тонопласт, окружающие соответственно весь протопласт и вакуоль, состоят из двух слоев, между которыми виден светлый слой. Вакуолярную мембрану в 1885 г. Де Фриз назвал тонопластом. Тщательное изучение микрофотографий показало, что наружный и внутренний слои имеют толщину около 2,5 нм, тогда толщина среднего светлого слоя достигает 2,5–3,5 нм. За редким исключением, на всех электронных микрофотографиях тканевых срезов независимо от типов и функций клеток можно видеть одну и ту же структуру. Три слоя, которые видны на фотографиях, представляют собой составные части мембраны. Такую структуру Дж. Робертсон (1959 г.) называл элементарной мембраной. Общая толщина плазмалеммы составляет 7,5 нм, а тонопласта несколько больше (~ 8 нм). Транспортные процессы на тонопласте играют важную роль в осморегуляции, поддержании тургора в клетках.

Плазмалемма контролирует поглощение и секрецию веществ, участвует в формировании клеточной стенки, выполняет рецепторную и осмотическую функции, а также функцию механической защиты у клеток, лишенных клеточных стенок.

В соответствии с представлениями о динамичности мембран можно допустить, что все мембраны, за исключением мембран митохондрий и пластид, могут взаимопревращаться. Так, например, мембраны эндоплазматической сети могли бы давать начало плазмалемме и мембранам диктиосом, а последние в свою очередь – мембранам вакуолей, лизосом и плазмалемме.

С наружной плазматической мембраной генетически связана внутриклеточная система мембран, открытая в 1945 г. Паладом и названная Портером эндоплазматическим ретикулумом или эндоплазматической сетью (ЭС). ЭС образована элементарной мембраной и может выполнять разнообразные функции. Гранулярной ЭР осуществляет синтез, накопление и транспорт белков, а также участвует в процессах секреции белков (например, при росте клеточных стенок). Огранулярный ЭР осуществляет синтез углеводов, липидов, терпиноидов и других веществ, участвует в процессах детоксикации вредных для клетки соединений гидрофобной природы. Вместе с митохондриями ЭР является важным компонентом окислительно-восстановительных систем клетки. ЭР может служить системой передачи раздражения внутри клетки, а также способствует объединению процессов обмена веществ в клетке в единое целое.

В то время как ЭС образована элементарной мембраной, ядро окружено двойной мембраной, которую часто называют ядерной оболочкой. Одно из отличий этой мембраны (см. предыдущий раздел) состоит в том, что она пронизана множеством пор, которые связаны с другими структурами и поэтому не представляют просто отверстия в оболочке ядра. Интересно, что расположение пор меняется на протяжении жизни клетки. В фазе роста они распределены беспорядочно по всей поверхности ядра, в отдельные фазы клеточного цикла собираются в определенных местах, а во время деления – вовсе исчезают.

Ядерная мембрана, кроме защитной роли, выполняет функцию обеспечения энергией процессов, происходящих внутри ядра, она, вероятно, служит также и передатчиком информации между ядром и остальной частью клеток.

Митохондрии и хлоропласты, подобно ядру, как отмечалось, окружены двойной мембраной, внутренний слой которой имеет весьма сложное строение. Целый ряд данных свидетельствует о том, что по составу растворенных веществ содержимое митохондрий и хлоропластов сильно отличается от цитоплазмы; так же отличаются от плазмалеммы как по своей проницаемости, так и по транспортным свойствам и мембраны этих органелл.

Мембраны хлоропластов и наружные мембраны митохондрий обнаруживают на поперечных срезах обычное строение: видна трехслойная структура толщиной около 7,5 нм.

Наружная мембрана митохондрий легко проницаема для сахарозы, небольших анионов и катионов, адениннуклеотидов, кофермента А и многих других соединений в противоположность значительно менее проницаемой внутренней митохондриальной мембране. Внутренняя мембрана митохондрий, напротив, существенно отличается от этой универсальной модели. Внутренняя мембрана образует впячивание, в результате чего возникают митохондриальные кристы (см. рис. 1.3), в которые «вмонтированы» ферменты, ответственные за перенос электронов и сопутствующее образование АТФ. В частности, система внутренних мембран содержит различные дегидрогеназы, АТФазу, цитохромы а, а₃, b и с. Белки расположены в мембранах органелл и обладают, хотя бы частично, глобулярной структурой.

В вязком пространстве между внутренними мембранами митохондрий, называемом матриксом, локализованы ферменты цикла лимонной кислоты (цикл Кребса) и другие. Для того чтобы подвергнуться катаболическим превращениям в цикле Кребса, субстраты должны пересечь две мембраны на пути из цитоплазмы во внутреннее пространство митохондрий. Часто ограничивающей стадии окисления этих субстратов является скорость их поступления в митохондриальный матрикс. Поскольку внутренняя мембрана непроницаема для большинства молекул, поступление различных веществ в матрикс объясняют обычно транспортом с помощью «переносчиков». Эти переносчики, подобно челнокам, переносят субстраты из пространства между внутренней и наружной мембранами в матрикс. Благодаря наличию внутренней мембраны ионы и субстраты не могут уйти из митохондриального матрикса; следовательно, такие барьеры проницаемости между различными внутриклеточными отсеками повышают общую эффективность работы клетки.

Внутренняя мембрана хлоропластов также образует впячивание, в результате чего возникает сложная внутренняя система тилакоидов (см. рис. 1.4). Мембраны тилакоидов хлоропластов содержат 52 % липидов и 48 % белка. По-видимому, значительная часть хлорофилла и других фотосинтетических пигментов связана с белками и липидами мембран гидрофобными взаимодействиями. В мембранах тилакоидов хлоропластов локализованы также ферменты и другие компоненты, участвующие в переносе электронов в процессе фотосинтеза. Толщина этих мембран составляет около 10 нм.

Организация тилакоидных мембран внутри хлоропласта сильно варьирует в зависимости от вида.

Разные вещества проходят через мембрану с разной скоростью, поэтому мы говорим, что мембраны избирательно проницаемы. При этом скорость прохождения веществ меняется в зависимости от физиологического состояния клетки или органеллы.

Благодаря избирательной проницаемости они регулируют транспорт веществ между наружной средой и клеткой, между органеллами цитоплазмой и т. д.

Регулируя поступление веществ в клетку и их выведение, мембраны тем самым регулируют скорость и направление биохимических реакций, которые составляют основу обмена веществ организма. Сама избирательная проницаемость мембран зависит от обмена веществ в клетке.

Мембраны регулируют обмен веществ и другим способом – изменяя активность ферментов. Некоторые ферменты активны только тогда, когда они прикреплены к мембране, другие, наоборот, в этом состоянии не проявляют активности и начинают действовать только после того, как мембрана выпустит их на «свободу». Изменение проницаемости мембраны может способствовать контакту фермента с субстратом, после чего начинается химическая реакция, которая сначала была невозможна.

Мембранные ферменты работают хорошо только тогда, когда они находятся в контакте с липидами. В присутствии липидов может меняться форма молекул мембранных белков – ферментов, таким образом, что их активные центры становятся доступным для субстрата. Кроме того, локализация фермента на мембране определяет место данной реакции в клетке.

Другой важной стороной ферментативной деятельности мембран является координация химических реакций, проходящих в клетках. Когда несколько ферментов катализируют цепь реакций, в которой продукт первой реакции служит субстратом для другой и т. д., то эти ферменты располагаются на мембране в определенной последовательности, образуя мультиферментную систему. Таких систем в мембране много, например цепь дыхательных ферментов. В этом случае ферменты располагаются в строгой последовательности с минимальным расстоянием между ними.

Компартментализация клетки – необходимое условие для жизнедеятельности и одна из основных функций мембран. Во-первых, мембраны увеличивают внутреннюю поверхность клетки, на которой локализованы ферменты и проходят химические реакции. Во-вторых, разные компартменты отличаются по химическому составу. Далее, поскольку компартменты имеют различный химический состав в них проходят разные биохимические реакции, то с помощью мембран осуществляется физическое разделение метаболических процессов, часто противоположного направления. Например, синтез белков идет в рибосомах, а распад – в лизосомах. Каждый из этих процессов регулируется независимо один от другого. Приведем еще пример: синтез жирных кислот и их окисление. Первый процесс происходит в цитоплазме, второй – в митохондриях.

Однако метаболические системы не полностью изолированы одна от другой. В мембранах, разделяющих клетку на компартменты, имеются специализированные механизмы, которые транспортируют из одного в другой субстраты, продукты реакции, а также кофакторы и соединения, имеющие регуляторное действие. Таким образом, скорость отдельных метаболических процессов, которые происходят внутри компартментов, частично регулируются транспортными системами мембран.

Регуляция скорости метаболических процессов может происходить благодаря перемещению регулируемых веществ с одного компартмента в другой.

В разных компартментах имеются разные концентрации органических веществ, ионов, разный химический состав. Например, в вакуолях всегда находится запас аминокислот, органических кислот, сахаров, ионов. Это приводит к химической геторогенности в клетке. Неодинаковая концентрация ионов по обеим сторонам мембраны приводит к возникновению разности электрических потенциалов. Так плазмалемма несет отрицательный заряд, а тонопласт – положительный. Разные концентрации и химический состав обуславливают разную вязкость в разных частях цитоплазмы.

Обладая избирательной проницаемостью, пропуская в клетку необходимые вещества, мембраны выполняют еще одну функцию – регулируют гомеостаз. Гомеостазом называют свойство клетки (органеллы, органа, организма, экосистемы) поддерживать постоянство своей внутренней среды.

Почему внутренняя среда клетки должна оставаться постоянной? Мембранные белки и белки-ферменты относятся к глобулярным. Глобулярная нативная структура белковых молекул зависит от слабых связей, легко разрушаемым даже при малом изменении внутренней среды клетки. Таким образом, клетка должна поддерживать гомеостаз, чтобы не изменялась нативная структура белков. Если измениться третичная или четвертичная структура белка, то и фермент потеряет или изменит свою активность и нарушится строгое соответствие структуры фермента и субстрата, для того чтобы пошла реакция.

От структуры белковой молекулы зависит ее размещение в мембране, и, таким образом, ее свойства и функции. Изменение конформации белковых молекул может менять количество гидрофобных и гидрофильных радикалов на ее поверхности. Это приводит к изменению расположения белковых глобул в мембране. Последнее окажет влияние на ее избирательную способность и другие свойства, что, в свою очередь, вызовет нарушение геторогенности, исчезновению ферментов и может привести к гибели клетки.

Мембраны принимают участие в адаптации клетки к меняющимся условиям окружающей среде, о чем поговорим ниже.

Большая часть мембран, кроме общих функций, таких как регулирование обмена веществ, компартментизация, выполняют и специальные. Например, мембраны митохондрий и хлоропластов принимают непосредственное участие в синтезе АТФ. Жизнь – это беспрерывная работа, для выполнения которой все время необходимо расходовать энергию.

Таким образом, синтез АТФ необходим постоянно, он связан со строго определенной структурой мембран органелл (хлоропласты, митохондрии). Нарушение этой структуры приводит к снижению синтеза АТФ, а это значит – к смерти.

Лабильная структура мембран позволяет им выполнять разные функции: барьерные, транспортные осмотические, электрические, структурные, энергетические, биосинтетические, секреторные, рецепторно- регуляторные и некоторые другие.

В последнее время накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, что некоторые мембраны образуются путем физического переноса мембранного материала от одних клеточных компонентов к другим. Есть данные, позволяющие считать ЭС источником тех строительных блоков, которые в конечном итоге включаются в плазмалемму. Возможно, это происходит в результате отшнуровывания пузырьков от цистерн Гольджи. По всей вероятности, в аппараты Гольджи совершается перестройка мембран двух типов: мембран, характерных для ЭС, в мембраны, свойственные плазмалемме. В заключение укажем на основные свойства мембран:

1. Мембраны являются сложными структурами. Они состоят из структурных белков и липидов, но могут также включать высокоспецифические молекулы ферментов, пигментов и кофакторов.

2. Благодаря химической вариабильности составляющих мембраны молекул белков и липидов и в зависимости от их функций, различные мембраны могут иметь разную структуру.

3. Структура мембран обеспечивает высокую степень упорядоченности которой специфические молекулы могут образовывать комплексные функциональные единицы.

4. Ферментные реакции и другие процессы в мембранах могут приводить к пространственно направленным, или векторным, реакциям; мембраны асимметричны.