voronina

ГЛАВА 5. БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ

Усі живі організми складаються з клітин, сформованих системою мембран. Мембрани оточують клітину, поділяють її на окремі відсі- ки – компартменти, утворюють структури клітинних органел. Вони прямо або опосередковано пов'язані з усіма процесами, що відбува- ються в клітині й забезпечують прояв найважливіших функцій органі- зму. Функції мембран досить різноманітні. Мембрани утворюють ба- р'єр з високою вибірковою проникністю, яка досягається роботою їх транспортних систем, регулюють потік іонів та субстратів у клітину і з клітини, підтримуючи постійність внутрішньоклітинного середовища в організмі. Через мембранні рецептори відбувається сприйняття клі- тиною зовнішніх сигналів (світло, дія гормонів, нейромедіаторів), що дозволяє їй швидко реагувати на зміни, котрі відбуваються в оточую- чому середовищі. Завдяки узгоджено працюючим мембранозв’язаним ферментним системам, мембранні структури беруть участь в інтегра- ції метаболічних процесів у клітині. Мембрани забезпечують прове- дення електричних сигналів у нервових та м'язових клітинах, беруть участь у процесах біосинтезу білка і перетворення енергії (фотосинтез, окислювальне фосфорилювання).

Структура мембран

Біологічні мембрани – це високоорганізовані структури товщи- ною 6–10 нм, що складаються в основному з білків та ліпідів, і ото- чують клітину або субклітинні структури.

Головні структурні компоненти мембран – ліпіди ( 40%) та білки ( 50%). Окрім того, у них наявні вуглеводи (2–10%), зв'язана вода (близько 30% усієї маси) та в деяких мембранах – сліди РНК (до 0,1%). Відносні кількості ліпідів і білків значно варіюють: на- приклад, у мієліновій мембрані ліпіди складають 75% і 25% – біл- ки, а у внутрішній мембрані мітохондрій на частку ліпідів припадає 25% і 75% складають білки.

Ліпіди мембран. У клітинних мембранах присутні ліпіди трьох класів: фосфоліпіди, гліколіпіди та стерини. Фосфоліпіди складають основну частину ліпідного компонента мембран (80%). У мембран- них структурах містяться фосфоліпіди двох типів – фосфогліцериди та сфінгофосфатиди. Серед фосфогліцеридів найбільш поширені в мембранах фосфатидилхоліни, присутні також фосфатидилетано- ламіни, фосфатидилсерини, фосфатидилінозитоли і кардіоліпіни. Сфінгофосфатиди представлені сфінгомієліном, який найчастіше зу- стрічається в мембранах клітин мозку. Важливими компонентами плазматичних мембран нервових клітин є гліколіпіди: цереброзиди, сульфатиди, церамідполігексозиди і гангліозиди. Третій клас ліпі- дів – стерини – представлений холестерином, який міститься, голо- вним чином, в плазматичній мембрані клітин.

Ліпідний бішар мембран. Структура ліпідів біологічних мем- бран має одну загальну рису, яка зумовлює їхню ідеальну здатність до утворення подвійного ліпідного шару. Усі мембранні ліпіди яв-

161

ляють собою амфіпатичні, або амфіфільні молекули, тобто один кінець їхніх молекул гідрофільний або полярний, інший – гідрофоб- ний або неполярний. Гідрофільний кінець або полярну «голівку» у фо- сфоліпідах складає фосфатний залишок з приєднаним до нього хо- ліном, етаноламіном, серином або інозитолом, а в гліколіпідах – вуглеводний компонент. Гідрофобний кінець або «хвіст» утворю- ють вуглеводневі радикали жирних кислот та сфінгозину. Молеку- ли фосфоліпідів мають два вуглеводневих «хвости», що складають- ся з жирних кислот, одна з яких є насиченою, а інша – ненасиченою і містить одну або більше цис-подвійних зв'язків, які викликають по- яву вигинів у «хвості» (рис. 50).

Рис. 50. Схематичне зображення фосфоліпіду або іншого мембранного ліпіду:

А– насичена жирна кислота;

В– ненасичена жирна кислота

Ухолестерину амфіпатичні властивості виражені слабко і, не- зважаючи на наявність гідроксильної групи, його молекула в основ- ному є гідрофобною.

Амфіпатичний характер молекул фосфоліпідів та гліколіпідів змушує їх у водних розчинах самовільно формувати бімолекулярні

шари. Периферичні зони шару, утворені полярними гідрофільними зонами, взаємодіють із водною фазою, а незаряджені «хвости» утво- рюють гідрофобну центральну зону (рис. 51). Таку ж будову мають природні клітинні мембрани. Холестерин вбудовується між фосфо- ліпідними молекулами таким чином, що його гідроксильна група контактує з водною фазою, а решта молекули розташовується всере- дині гідрофобного шару. Завдяки ліпідному бішару двошарова ліпід- на мембрана є практично непроникною для іонів та більшості поля- рних молекул, бо вони не розчиняються в його гідрофобній зоні. Але вона є проникною для молекул ліпідної природи, наприклад, стерої- дних гормонів. Іони і водорозчинні молекули проходять крізь мем- брану каналами, що формуються білками або за допомогою білків- переносників (див. нижче).

Білки мембран. Основні структурні особливості біологічних мембран визначаються властивостями ліпідного бішару, тоді як бі- льшість їхніх специфічних функцій здійснюється білками. Ґрунтую- чись на ролі білків у складі мембран, їх можна поділити на п'ять груп: 1) структурні білки, що беруть участь у підтримці структури всі-

162

єї мембрани; 2) транспортні білки, що здійснюють трансмембран- ний перенос речовин; 3) білки-ферменти, що каталізують реакції, які відбуваються на мембранах; 4) рецепторні білки, що специфічно зв'язують певні сполуки (гормони, нейромедіатори, токсини) на зов- нішньому боці мембрани; 5) контрактильні білки, відповідальні за рухливість окремих клітин та компонентів мембран.

Рис.51. Схематичне зображення бішарової мембрани

Залежно від міцності зв'язку з мембраною розрізняють інтегра- льні і периферичні білки. Інтегральні білки пронизують мембрану наскрізь або глибоко розташовуються в ліпідному бішарі. Ці білки мають амфіпатичні властивості: у них є гідрофобні ділянки, які про- ходять крізь мембрану та взаємодіють з гідрофобними «хвостами» ліпідних молекул усередині бішару (за допомогою гідрофобних вза- ємодій), і гідрофільні ділянки. Останні обернені до води з обох боків мембрани і електростатично взаємодіють з полярними «голівками» ліпідів. Інтегральні білки можуть містити у своєму складі вуглеводні фрагменти, які виступають на зовнішню поверхню мембрани. Добре вивченим інтегральним глікопротеїном є один з основних білків плазматичної мембрани еритроцитів – глікофорин. Молекула гліко- форину має один поліпептидний ланцюг, що складається з трьох ча- стин («доменів»). На зовнішній поверхні мембрани локалізована йо- го гідрофільна N-кінцева ділянка, з якою пов'язано 15 олігосахарид- них ланцюгів, що містять близько 100 моносахаридів (рис.52). Вугле- води складають приблизно 60% усієї маси білка. Друга частина мо- лекули, яка пронизує ліпідний бішар, являє собою -спіральну ділян-

ку, що нараховує близько 30 амінокислотних залишків. Третя C- кінцева ділянка – гідрофільна і розташовується на внутрішній повер- хні мембрани. Вуглеводні компоненти глікофорину служать рецеп- торами для вірусів грипу, фітогемаглютинінів, а також є носіями ан- тигенів груп крові MN-типу.

Більшість інтегральних білків, як і глікофорин, пронизують бішар у вигляді однієї -спіралі, але є білки, які перетинають його декілька

разів у вигляді серії -спіралей (бактеріородопсин, родопсин, білок смуги 3). -Структури в мембранних білках зустрічаються рідко. Ді- лянки молекул, які розташовані поза мембраною і контактують з вод- ною фазою, утворені переважно неупорядкованими структурами.

163

Рис.52. Глікофорин у мембрані еритроцита

Периферичні білки відрізняються від інтегральних меншою глибиною проникнення в бішар і слабшими білок-ліпідними взаємо- діями. Вони розташовані на зовнішній і внутрішній поверхнях мем- бран. Розрізняють поверхневі білки, пов'язані електростатичними взаємодіями з полярними групами ліпідів, а також поверхнею інтег- ральних білків, і власне периферичні білки. Останні частково зануре- ні в мембрану і окрім електростатичних сил утримуються також гід- рофобними взаємодіями, наприклад цитохром с. До поверхневих бі- лків належить спектрин, на частку якого припадає близько третини всіх еритроцитарних білків. Палочкоподібні молекули спектрину по- в'язані з інтегральним білком смуги 3 через інший білок – анкірин і утворюють гнучку сіткоподібну структуру (цитоскелет) на цитопла- зматичній поверхні мембрани, яка підтримує структурну цілісність і двоувігнуту форму еритроцитів.

Вуглеводи мембран входять у мембранні структури не самостій- но, а в складі глікопротеїнів та гліколіпідів. Розташовуючись пере- важно на зовнішній поверхні плазматичної мембрани клітин, саме вуглеводи визначають її специфічність. Вони забезпечують міжклі- тинні взаємодії, а також формують рецепторні ділянки мембран.

Рідинно-мозаїчна модель мембран. У наш час загальноприй-

нятою є рідинно-мозаїчна модель будови мембран, запропонова- на у 1972 р. С. Сингером і Дж. Ніколсоном і удосконалена С. Син- гером у 1981 р. Згідно з даною моделлю основу мембран складає ліпідний бішар, у який занурені молекули білків, нековалентно зв'язані з ліпідами (рис. 53).

Якщо дивитися на таку мембрану зверху, то вона має мозаїч- ність, утворену полярними «голівками» ліпідів і білками. Усі клітин- ні мембрани є динамічними структурами. Найрухливіші компоненти в них – ліпіди. Положення молекул ліпідів у мембранах упорядкова- не, проте вони здатні дифундувати в межах одного моношару пара- лельно до поверхні мембрани (латеральна дифузія) зі швидкістю до 2 мкм за 1 с, здійснювати обертальні та коливальні рухи. З меншою швидкістю вони можуть переходити з одного моношару в інший («фліп-флоп» – перескок).

164

Рис. 53. Рідинно-мозаїчна модель мембранної структури

Шари ліпідів, що прилягають до білка (пограничні), більш упо- рядковані, тобто їх рухливість обмежена в порівнянні з вільними лі- підами. Ліпіди здатні утворювати упорядковані зони– кластери, в яких усі молекули мають однаковий кут нахилу, і щільність упаковки мо- лекул може істотно відрізнятися від сусідніх із ними зон. Тривалість

життя кластерів становить близько 10-6–10-7 с, а кількість молекул –

від декількох десятків до декількох сотень.

Для молекул білків також характерні латеральні, коливальні та обертальні рухи, проте вони не можуть переходити з одного боку бішару на інший. Деякі білки майже такі ж рухливі, як і ліпіди, інші – практично нерухомі. Рухливість білків визначається не тільки їх вла- стивостями, але також фазовим станом ліпідів.

Ліпідний бішар може перебувати в рідкому (рідиннокристаліч- ному) неупорядкованому або у кристалічному (твердому) упорядко- ваному стані. Перехід від одного стану до іншого (або фазовий пере- хід) визначається ліпідним складом мембран. Наявність великої кі- лькості насичених жирних кислот призводить до упорядкованого кристалічного стану мембрани і підвищує температуру переходу до неупорядкованого рідинного стану. Присутність подвійних зв'язків у цис-конфігурації призводить до появи вигинів у ланцюгах, що за- важає їхній взаємодії, підвищує текучість бішару та знижує темпера- туру фазового переходу. Важливим регулятором фазових переходів мембран є холестерин, залучення якого призводить до утворення станів із проміжною текучістю. Якщо бішар перебуває в рідинному стані, то холестерин переводить його в упорядкований стан, ство- рюючи перешкоду для переміщення ацильних ланцюгів; кристалічну ж структуру мембрани холестерин переводить у неупорядкований стан, розташовуючись між ацильними ланцюгами. Текучість мем- брани сильно впливає на її функціонування. У разі збільшення теку- чості мембрани послаблюються її бар'єрні властивості, і вона стає

165

більш проникною для невеликих молекул. Вважається, що більшість мембран у живих організмах за умов фізіологічної температури пе- ребуває в проміжному (між рідким та твердим) стані.

Важливою властивістю мембран є асиметрія. Для мембран ха- рактерна асиметрія функціональних та обмінних процесів, що забез- печується асиметричним розподілом їхніх компонентів. Наприклад,

уплазматичній мембрані еритроцитів приблизно 80% сфінгомієліну й більша частина фосфатидилхоліну локалізовані в зовнішній частині бішару, а весь фосфатидилсерин і 80–85% фосфатидилетаноламіну –

увнутрішній. Холестерин переважає в зовнішньому моношарі мем-

брани. Білки, що беруть участь у процесах упізнавання й рецепції, розташовуються в зовнішньому моношарі, а більшість ферментів – у внутрішньому. Вуглеводні компоненти розташовуються на зовніш- ній поверхні, іноді утворюючи суцільне покриття – глікокалікс. Усе це характеризує поперечну асиметрію мембран.

Штучні мембрани. Штучні мембрани одержують із фосфоліпідів у різний спосіб. Унаслідок збовтування або обробки ультразвуком су- спензії фосфоліпідів у воді, утворюються сферичні бішарові везику- ли, які називаються ліпосомами (діаметром 200–2000 Å). Ліпосоми можуть складатися з одного (одноламелярні) або декількох (муль- тиламелярні) бішарів фосфоліпідів, що чергуються з водним прос- тором. У наш час усе більшого значення набуває можливість викори- стання фосфоліпідних везикул для доставки в клітину лікарських за- собів. Це має ряд переваг: 1) введення речовин усередину ліпосом захищає їх від дії ферментних систем організму; 2) ліпосоми форму- ються з природних фосфоліпідів, у зв'язку з чим вони легко включа- ються в обмінні процеси в організмі і є практично нешкідливими;

3)завдяки здатності ліпосом взаємодіяти з мембранами клітин стає можливим введення всередину клітин речовин, які не прони- кають крізь клітинну мембрану або мають обмежену проникність;

4)унаслідок обмеженої проникності ліпосом можливе їхнє викори-

стання для дозованого надходження лікарського препарату і зни- ження його токсичності; 5) ліпосоми можна застосовувати для спрямованого транспорту біологічно активних молекул до певних органів і тканин, для чого в їхні мембрани необхідно включити мо- лекули, які впізнаються специфічними рецепторами плазматичної мембрани клітин-мішеней.

Трансмембранний перенос речовин

Найважливішою функцією мембран є регуляція транспорту речо- вин у клітину та з клітини. Механізми транспорту малих і великих мо- лекул крізь мембрани дуже відрізняються один від одного (табл.7).

Перенос малих молекул через мембрани може здійснюватися шляхом простої дифузії, пасивного та активного транспорту.

Шляхом простої дифузії через мембрани можуть проникати ма- лі неполярні (O2, H2O, CO2) молекули, незаряджені полярні молеку- ли (сечовина), а також низькомолекулярні гідрофобні речовини. Проста дифузія являє собою самовільне переміщення речовини в ре-

166

зультаті теплового руху за градієнтом концентрації або електрохімі- чним градієнтом (при переносі заряджених частинок). Швидкість дифузії визначається трансмембранним градієнтом концентрації ре- човин, їхньою розчинністю в гідрофобному шарі мембрани й тепло- вим рухом молекул, що пересуваються. Значення такої дифузії в ор- ганізмі обмежене.

Молекули, що самі не можуть проходити крізь мембрану, вико- ристовують для цього спеціальні білки-переносники. Якщо транс- порт однієї речовини за допомогою переносника супроводжується переносом іншої сполуки в тому ж напрямку, то таке явище назива- ється симпортом. А явище, коли транспорт будь-якої речовини по- єднується з переносом іншої речовини в протилежному напрямку, називається антипортом.

Переміщення молекул крізь мембранний бішар, за участю біл- ків-переносників, може відбуватися двома способами: шляхом паси- вного або активного транспорту.

		Таблиця 7
	Перенос речовин крізь мембрани
	Трансмембранне переміщення	Трансмембранне переміщення
	малих молекул	великих молекул
1.	Проста дифузія	1. Ендоцитоз
2.	Пасивний транспорт	Неспецифічний
	Полегшена дифузія	Фагоцитоз
	Обмінна дифузія	Піноцитоз
3.	Активний транспорт	Селективний
	Первинний активний транспорт	2. Екзоцитоз
	Вторинний активний транспорт	Конститутивний
	Симпортний	Регульований
	Антипортний

Пасивний транспорт речовин здійснюється за градієнтом їх концентрації за допомогою білків-переносників (транслоказ, перме- аз) без витрат енергії. Існують два види пасивного транспорту – по- легшена та обмінна дифузії. При полегшеній дифузії білки сполуча- ються з молекулами, що транспортуються, і прискорюють процес їх переносу. За допомогою цього виду дифузії крізь мембрану транспо- ртуються амінокислоти, моносахариди, нуклеотиди, іони. Для цього виду дифузії характерним є ефект насичення: коли білок насичений, подальше збільшення концентрації дифундуючої речовини не при- скорює дифузію (аналогія з ферментативним каталізом). Молекуля- рний механізм роботи білків-переносників досі невідомий. Припус- кається, що вони вбудовані в мембрану і змінюють свою конформа- цію за механізмом «пінг-понг» (рис.54). Переносник зв'язує речови- ну, що переноситься, з одного боку мембрани, після чого в ньому відбуваються конформаційні зміни («понг-пінг»), унаслідок яких ця речовина звільняється з іншого боку мембрани, а переносник повер- тається у вихідний стан («пінг-понг»).

167

Припускається, що за таким механізмом переносить іони К+ крізь мембрани мітохондрій іонофор – антибіотик валіноміцин.

Особливу роль серед систем пасивного транспорту відіграють іонні канали електрозбуджуваних мембран нервових і м'язових клі- тин для іонів Na+, K+ и Сa2+. Ці канали являють собою пори, сфор- мовані каналоутворюючими білками. Таким білком є іонофор анти- біотик граміцидин, який формує канал для одновалентних катіонів.

Рис. 54. Гіпотетична модель, що показує як конформаційні зміни в білку-переноснику могли б

забезпечити полегшену дифузію розчиненої речовини А

Обмінна дифузія здійснюється за антипортним механізмом, ко- ли відбувається обмін однієї речовини на іншу. При цьому кожна ре- човина рухається за градієнтом концентрації. Такий антипорт харак- терний для аніонів і катіонів. Як приклад можна навести обмін іонів Na+ на іони K+, який здійснюється протилежно дії Na+, K+ -АТФази.

Концентрація іонів у цитоплазмі клітин різко відрізняється від позаклітинної їх концентрації, і така різниця є одним з необхідних умов життя. Підтримка певного складу й концентрації іонів у клітині відбувається за рахунок активного транспорту. У процесі активного транспорту відбувається перенос речовин проти градієнта концент- рації або електрохімічного градієнта, котрий потребує витрат енер- гії. Залежно від характеру використання енергії розрізняють первин-

ний і вторинний активний транспорт. Під час первинного активно-

го транспорту витрата енергії відбувається при безпосередньому пе- реносі речовини крізь мембрану. Перенос речовини крізь мембрану шляхом вторинного активного транспорту здійснюється за рахунок енергії градієнта концентрації іонів, створеного на мембрані механіз- мом первинного активного транспорту. Цей градієнт використовуєть- ся для переносу інших речовин за допомогою білків-переносників.

За принципом первинного активного транспорту в клітині фун-

кціонують АТФази або іонні насоси-білки, які для транспорту іонів використовують енергію гідролізу АТФ. Типовим прикладом такого білка-переносника є Na+, К+-АТФаза, яка працює за принципом ан- типорта, перекачуючи Na+ із клітин, а К+ – всередину клітин. Na+,

168

К+-АТФаза являє собою олігомер, що пронизує мембрану наскрізь і містить на внутрішньому боці ділянки для зв'язування АТФ і Na+, а на зовнішньому боці – для К+ та серцевих глікозидів. Унаслідок при- єднання 3Na+ відбувається активація АТФази, тобто гідроліз АТФ та фосфорилювання ферменту з боку цитоплазми. Це викликає його конформаційні зміни, у результаті яких 3Na+ вивільняється в міжклі- тинний простір. Зменшується спорідненість до Na+, і до зовнішньої поверхні приєднується 2К+, що має наслідком дефосфорилювання ферменту й повертає його до первинної конформації, відкриваючи канал зсередини й вивільняючи 2К+ у цитоплазму (рис. 55).

За один цикл із клітини виводиться 3Na+, а в клітину надхо- дять 2К+, що призводить до появи трансмембранного електрохі- мічного потенціалу. Серцеві глікозиди, одним із яких є уабаїн (строфантин G), можуть конкурувати з К+ за місця зв'язування та інгібують Na+, К+-АТФазу.

Для життєдіяльності клітини велике значення має функціону- вання ще однієї системи активного транспорту – Ca2+-АТФази, яка виводить Ca2+ із клітин і підтримує його внутрішньоклітинну конце- нтрацію на значно нижчому рівні ( 10-7 М) у порівнянні з позаклі-

тинною ( 10-3 М). Особливо велика кількість Ca2+-АТФази міститься

в мембранах м'язових клітин, де вона є частиною механізму, що ре- гулює процес скорочення м'язів.

Рис. 55. Механізм дії Na+, К+-АТФази

169

Вторинний активний транспорт може бути симпортним і ан-

типортним. У тваринних клітинах іоном, що котранспортується, як правило, є Na+. Прикладом симпортного вторинного транспорту служить надходження глюкози й амінокислот в епітеліальні клітини кишечника і нирок. У симпортних системах молекули, що транспор- туються, і Na+ зв'язуються з білком-переносником, утворюючи по- трійний комплекс, наприклад: Na+–переносник–глюкоза. Комплекс переходить на інший бік мембрани, де вивільнюється Na+ і глюкоза. Для Na+ цей перенос відбувається за концентраційним градієнтом, а для глюкози або амінокислот – проти градієнта концентрації. За ме- ханізмом антипортного вторинного активного транспорту в клітин- них мембранах переноситься багато катіонів. Ключову роль у під- тримці внутрішньоклітинного значення pH (7,1–7,2) відіграє Na+, H+ – переносник-обмінник, який входить до складу плазматичних мембран майже всіх клітин хребетних. Цей переносник забезпечує спряження виносу іонів H+ із клітин з притоком іонів Na+ і, таким чином, видаляє надлишок іонів H+, що утворюється внаслідок клі- тинних реакцій окислення.

Перенос макромолекул крізь мембрани забезпечується механіз-

мами везикулярного транспорту – ендоцитозом і екзоцитозом. За до- помогою ендоцитозу здійснюється перенос молекул усередину клі- тини, а за допомогою екзоцитозу – перенос їх із клітин в зовнішнє середовище. Ендоцитоз може бути неспецифічним та селективним. Неспецифічний ендоцитоз протікає ніби автоматично і часто може призводити до захоплення і поглинання клітиною не потрібних їй речовин. Розрізняють два типи ендоцитозу: фагоцитоз – захоплення й поглинання клітиною великих часток (мікроорганізми, уламки клі- тин) та піноцитоз – поглинання клітинами рідин та розчинених ре- човин. Під час ендоцитозу плазматична мембрана захоплює позаклі- тинний матеріал і замикає його в мембранну вакуолю, яка виникла за рахунок вп’ячування плазматичної мембрани і називається фаго- сомою у випадку фагоцитозу, і піносомою – при піноцитозі. Потім ця первинна вакуоля відокремлюється від мембрани, пересувається всередину клітин і зливається з лізосомою, утворюючи вторинну лі- зосому. У лізосомах більша частина матеріалу фагосом і піносом руйнується до мономерів, що транспортуються крізь мембрану лізо- соми в цитозоль, де використовуються клітиною. Для ендоцитозу необхідна енергія, утворена внаслідок гідролізу АТФ.

Під час селективного або рецептор-індукованого ендоцитозу поглинаються молекули, для яких на плазматичній мембрані є спе- цифічні рецептори, що асоціюються тільки з даним типом молекул. Прикладом селективного ендоцитозу є транспорт у клітину холесте- рину у вигляді ЛПНГ, які зв'язуються зі специфічними рецепторами на плазматичній мембрані клітин. За механізмом селективного ен- доцитозу в клітину потрапляють віруси, що викликають такі захво- рювання, як гепатит, поліомієліт.

Плазматична мембрана бере участь у виведенні речовин із клі- тини за допомогою екзоцитозу. У цьому випадку внутрішньоклітинні продукти, замкнені у вакуолях, підходять до плазматичної мембрани

170