3.3. Клеточные мембраны
При изучении методом электронной микроскопии строения клеток были получены экспериментальные данные, позволившие Сингеру и Николсону (1972) предложить жидкостно-мозаичную модель клеточной мембраны. На электронных микрофотографиях срезов клеток, окрашенных тетроксидом осмия и перманганатом, выявляются образования толщиной 6-10 нм с тем-ными наружными (по 2-2,5 нм) и светлым внутренним (около 3 нм) сло-ями, которые по всем показателям соответствуют клеточным мембранам. В темных слоях (полярные гидрофильные участки мембранных липидов) повышено содержание металлического осмия.
При скалывании замороженных клеток линия скола проходит по светлому слою, примерно по середине этих образований. При этом в плоскости скола обнаруживаются крупные включения, представляющие собой инте-грированные в мембраны белковые молекулы. При обработке клеток растворами с высокой ионной силой от них отделяется часть связанных белков, которые фиксировались на внешней стороне мембраны только ионными силами или водородными связями (периферические белки).
Согласно этой модели Сингера и Николсона мембрана состоит из бислоя липидов, в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, обра-зуя в нём своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь и погружаться в него (интегральный белок 1) или примы-кать к бислою (периферический белок 2). Многие мембранные белки явля-ются гликопротеинами (3), а мембранообразующие липиды гликолипи-дами (4). На схеме также показаны: холестерин (5); олигосахарид (6); элементы цитоскелета (7).
Ко времени разработки этой модели было хорошо изучено строение ам-фифильных соединений, которые по их способности растворяться в непо-лярных растворителях относились к липидам, то есть жироподобным ве-ществам. В отличие от обычных поверхностноактивных веществ выделен-ные из клеток амфифильные липиды имеют по два гидрофобных углеводо-родных остатка, которые придают им способность к образованию в воде ассоциатов с двойным слоем молекул, где полярные фрагменты обращены в сторону водной фазы, а неполярные, закрытые от воды полярными, обра-зуют внутренний гидрофобный слой. В отличие от обычных мицелл (они образуются при ассоциации ПАВ с одним гидрофобным остатком) такие двухслойные системы могут формировать шарообразные или иные полые структуры, внутри которых заключена часть захваченной водной фазы, их называют липосомами. Они представляют собой аналоги клеточных обра-зований – везикул. Полученные простым смешением клеточных липидов с водой липосомы, конечно, различаются по размеру в широких пределах, они могут иметь достаточно сложное строение, когда внутри одной липо-сомы находится много более мелких или когда просто идет чередование слоев с прослойками из включенной в липосому жидкости. В пределах липидного бислоя составляющие его молекулы достаточно подвижны, но перемещение одной молекулы с внешней стороны на внутреннюю затруд-нено, поскольку для этого полярная часть молекулы должна пройти через неполярный слой. Но в общем случае мембрана представляет собой двух-мерную жидкость. Липидные фрагменты амфифильных липидов, имеют разную длину и поэтому имеется взаимопроникновение «хвостов» липид-ных молекул одного слоя в другой, что еще более стабилизирует систему.
Включенные в клеточную мембрану белки называют интегрированными, а связанные с поверхностью мембраны ионными или водородными связями – периферическими. Причем интегрированные белки могут быть частично или полностью погружены в мембрану или могут пронизывать ее насквозь. Для этих белков также возможно перемещение, латеральная диффузия, в этой двухмерной жидкости. В принципе должно было бы происходить да-же слипание, агрегация интегрированных в мембрану белковых молекул, но этого не происходит из-за присутствия в составе липидов мембран стероидных составляющих и фиксации белков микротрубочками и микро-нитями, структурирующими все внутреннее пространство клетки (это и есть цитоскелет).
Мембраны разных клеток отличаются как составом входящих в их состав липидов, так и составом интегрированных и ассоциированных белков. В клетках есть также различие в составе липидов внутреннего и внешнего слоя мембраны. Это связано во-первых со строением и ролью белков, на-ходящихся на внутренней и на внешней поверхности мембраны, а во вто-рых с различием в составе внутренней среды клетки и окружающей ее (интерстициальной) жидкости. На внешней поверхности клетки находятся также гликолипиды и гликопротеины с олигосахаридными участками, от-вечающими за иммунные реакции. Асимметрия мембран по составу липи-дов на примере эритроцитов такова: во внешнюю сторону смотрят гидро-фильные фрагменты фосфатидилхолина и ганглиозидов, с внутренней, цитозольной стороны мембраны – фосфатидилэтаноламина (кефалина), фосфатидилсерина и сфингомиелина. Стероидные липиды служат для регуляции жидко-кристаллических свойств мембран и для фиксации в них белков.
Важнейшая функция мембран – это транспорт через нее веществ и частиц в обоих направлениях. Частицы, в том числе болезнетворные бактерии или вирусы, могут захватываться клеткой эндоцитозом, когда клеточная мем-брана обволакивает частицу и внутри клетки отделяется в виде везикулы с включением. При экзоцитозе протекает обратный процесс, при котором, например, мембрана везикулы, образовавшейся в результате работы аппа-рата Гольджи, сливается с внутренней стороны с мембраной клетки и по-сле этого разрывается, выпуская содержимое везикулы в интерстициаль-ную жидкость. Более сложен механизм обмена молекулярными вещест-вами. Мембрана является хорошей преградой на пути диффузии полярных молекул и ионов. Плотный внутренний слой гидрофобных остатков мем-бранных липидов задерживает их достаточно эффективно, но диффузия ионов все же идет через небольшие поры в мембране или через участки с пронизывающими мембрану интегрированными белками. Более легко про-ходят через мембрану молекулы неполярных веществ, поскольку внешние гидрофильные фрагменты мембранных липидов не образует плотного слоя. Непреодолима клеточная мембрана для любых крупных молекул. Внутренняя среда клетки – цитозоль – содержит заметное количество кис-лот с высокой молекулярной массой, из-за чего с внутренней стороны мем-браны, если, конечно, ее целостность не нарушена, появляется отрицатель-ный заряд, а с внешней стороны – положительный. Это является резуль-татом пассивной диффузии катионов и небольших анионов, хотя опреде-ленный вклад в возникновение этой разницы потенциалов могут внести и белковые системы активного транспорта, называемые насосами, но общее название таких относящихся к ферментам белков – транслоказы.
Эти ферменты предназначены для поддержания определенного водно-солевого баланса между клеткой и окружающей средой. В частности, в норме концентрация ионов калия внутри клетки примерно в 40 раз выше, чем в интерстициальной жидкости, а концентрация ионов натрия в цито-плазме в 10 раз меньше, чем вне клетки. То есть транслоказы осущест-вляют активный транспорт веществ против градиента концентраций и тогда для него нужен источник энергии. Чаще всего это энергия разрыва ангидридной связи в молекуле аденозинтриосфата. Так, например, Na+,K+-насос (Na+, K+-АТФ-аза) принципиально функционирует так:
С внутренней стороны мембраны определенный участок этого белка, состоящего из четырех субъединиц, фосфорилируется и связывается с ионами натрия (Рi – это остаток фосфорной кислоты):
За этим следует структурная перестройка белка, в результате которой участок с ионами натрия оказывается с внешней стороны мембраны, где они обмениваются на ионы калия
Замещение ионов калия ионами натрия снова вызывает структурную пе-рестройку транслоказы, в результате которой участок фосфорилирован-ного белка с ионами калия оказывается внутри клетки и там от него гидролитически отщепляется остаток фосфорной кислоты и ионы калия
Представленная схема, конечно, крайне упрощена. Единственное уточне-ние, которое можно привести здесь состоит в том, что распад одной моле-кулы АТФ сопровождается выведением из клетки трех ионов натрия и закачиванием внутрь клетки двух ионов калия.