9. Мембранні структури

Мембрани є основним структурним елементом клітини. Плазматична мембрана відокремлює клітку, її цитоплазму від навколишнього середовища. Усі клітинні органели – ядро, ендоплазматичний ретикулум, апарат Гольджі, мітохондрії, пластиди, мікросоми, лізосоми, різноманітні за структурою і призначенням гранули, які побудовані з мембранних структур. Мембрани являють собою складну систему, наділену ферментативною активністю і здійснюючу координований поліферментний каталіз. При всій розмаїтості будови мембран і їхньої біологічної ролі усі вони побудовані за єдиним принципом і займають від 1/3 до 1/2 маси клітини.

Мембранні структури забезпечують розмежування внутрішньоклітинного простору на особливі відсіки – компартменти, всередині кожного з яких здійснюється свій визначений цикл реакцій, а взаємодія між ними реалізується через регульовану перемінну проникність відповідних мембран.

Основою біологічних мембран усіх типів є ліпідний шар. До складу мембран обов'язково входять фосфоліпіди, холестерин, ліпопротеїди і білки, кількість яких варіюється.

Ліпіди складають 40% сухої маси мембран, причому 80% з них приходиться на частку фосфоліпідів. Саме фосфоліпіди утворюють подвійний молекулярний шар, що відокремлює компартменти клітини один від одного і клітинну цитоплазму від позаклітинного середовища. Фосфоліпіди в бімолекулярному шарі розташовані паралельно один одному й утворюють дві гідрофобні (водовідштовхувальні) поверхні, які протилежать одна до одної. Гідрофільні ж, полярні групи ліпідів, обернені назовні бімолекулярного шару. Таким чином, подвійний гідрофобний шар мембрани є ізолюючим прошарком, що перешкоджає пасивному транспорту води, електролітів, кисню і метаболітів (за винятком жиророзчинних).

Проникність мембрани реалізується за рахунок існування в структурі мембран проміжків в упакуванні молекул фосфоліпідів, появи полярних угруповань у гідрофобному шарі (пасивний транспорт), а також функцією спеціалізованих білків-каналоутворювачів, що здійснюють активний транспорт іонів і метаболітів, у тому числі і проти градієнта концентрацій.

Подвійний ліпідний шар мембран, виконуючи разом з мембранними білками бар’єрно-транспортну функцію, є основою для створення трансмембранної різниці електричних потенціалів (20 мВ) і високого мембранного опору. Нарешті, ліпідна фаза мембран виконує регуляторну функцію.

Товщина біологічних мембран коливається в межах 4,0 – 13,0 нм, вона залежить, насамперед, від щільності упакування ліпідних молекул.

Постійними компонентами структури мембрани є вуглеводи, присутні в ній, головним чином, у вигляді глікопротеїнів.

Практично всі мембрани на 95% складаються з ліпідів і білків, причому більше половини маси мембрани складають білки. Більшість мембранних білків, поряд зі структурною функцією, грають більш-менш активну специфічну роль.

Роль мембранних білків

1. слугують каталізаторами хімічних реакцій, що протікають у клітині, (ферментна функція),

2. взаємодіють з антигенами, гормонами, іншими біологічно активними речовинами (рецепторна функція),

3. виконують функцію елементів, що розпізнають, у мембранному транспорті, піноцитозі і хемотаксисі,

4. здійснюють трансмембранний перенос електролітів і інших низькомолекулярних речовин,

5. міжклітинні взаємодії й ін.

Білкові молекули розташовуються, головним чином, в області полярних "голівок" подвійного фосфоліпідного шару з орієнтацією зовні мембрани. Відповідно білкові молекули можуть брати участь у процесах, що протікають з обох сторін біомембрани. Ступінь зв'язку білка з мембраною може бути різною. Багато мембранних білків своєю гідрофобною частиною закріплені в гідрофобному ліпідному шарі, їх гідрофільні активні центри обернені назовні мембрани і можуть утворювати навіть активні виступи, мікроворсинки, що забезпечують оптимальні умови для реалізації ферментної, рецепторної і т.п. функцій.

Відомі кілька десятків білків, що входять до складу різних мембран і виконують різні функції.

За характером структурної взаємодії з подвійнім ліпідним шаром розрізняють:

інтегральні білки (на їхню частку приходиться близько 10% поверхні клітини). Вони взаємодіють з ліпідними молекулами і перетинають мембрану по всій її товщині один чи кілька разів;

периферичні білки (що складають 47% поверхні), зв'язані лише з однією поверхнею подвійного шару. Вони легко втрачають зв'язок з мембраною вже при слабких впливах – осмотичному шоку, зміні кислотності середовища, концентрації Са²⁺ тощо.

Інтегральні білки виділяються важко, при цьому порушується структура мембрани. Склад білків визначає функціональну активність мембран.

Рис.1. Рідинно-мозаїчна модель біомембрани (по S. J. Singer, 1974)

1 - мембранний білок, 2 - молекула полярного ліпіду; стрілками позначені два типи дифузії: горизонтальної - латеральна дифузія, вертикальної - "фліп-флоп"

Розрізняють три основних класи мембранних білків: ферментні, рецепторні і структурні.

1. Ферментні білки здійснюють прискорення різноманітних хімічних реакцій. У гігантських молекулах ферментів лише невелика частина їхньої структури – активний центр - реалізує власне каталітичну функцію.

Таблиця 1. Класифікація білків біомембран в залежності від їх функцій (Я. Кагава, 1985)

Функції	Мембранні белки
Каталізатори метаболізму	Ферменти: оксиредоредуктази, трансферази, ліази, ізомерази, лігази.
	Інші: переносники електронів (цитохроми, білки с негемовим залізом тощо)
Транспорт	Переносники: рухливі переносники
	Канали: нерухомі мембранні пори і селективні фільтри
	Ворота: специфічна воротна система
	Насоси: механізм активного транспорту
Рухливість	Мікротрубочки
	Мікрофіламенти
	Війки, білок динеїн, мікроворсинки
Рецепція і передача інформації	Хеморецептори: рецептори гормонів та ін.
	Рецептори світла: родопсин
	Антитіла та інші сполуки, які пов’язані з імунітетом
Структури збереження	Волокнисті білки: колаген та ін.
	Інші: глікокалікс

Структура мембрани відіграє величезну роль у реалізації каталітичної функції ферменту. Молекули ферменту, що загубили зв'язок з мембраною, у більшості випадків втрачають цілком чи частково свою специфічну активність через зміну конформації, екранування активного центра і т.п. Взаємодія периферичного білка з поверхнею мембрани відновлює його активність.

Ферментативний каталіз вимагає витрати деякої енергії для реалізації специфічної біохімічної реакції (розщеплення чи синтезу, переносу атомів і їхніх груп, чи окислювання відновлення). Універсальним джерелом енергії в організмі є макроергичні зв'язки в молекулах аденилових нуклеотидів. Тому типовими мембранними білками є різного типу аденозинтрифосфатази (АТФази) – ферменти, які відщеплюють від молекули АТФ один залишок фосфорної кислоти з утворенням аденозиндіфосфата (АДФ).

Енергія, що виділяється, використовується ферментом для здійснення активного транспорту іонів (наприклад, Na⁺, К⁺ +АТФ-аза забезпечує переніс через мембрану іонів Na⁺ і К⁺.

АТФ-ази енергетично забезпечують роботу м'язів, синтез білків і інших сполук, передачу нервового імпульсу тощо).

2. Рецепторні білки специфічно зв'язують визначені низькомолекулярні речовини, "розпізнають" їх, оборотно змінюючи при цьому свою конформацію. Ця зміна, у свою чергу, запускає всередині клітини відповідну реакцію. За допомогою рецепторних білків, розташованих на поверхні плазматичної мембрани, клітина розпізнає хімічні подразники (стимули) із зовнішнього середовища й адекватно на них реагує. Різні типи рецепторів специфічно розпізнають антигенні стимули, гормональні сигнали; комплекси рецепторних білків, що утворюються з гормонами чи вітамінами, іноді переносяться всередину клітини, у її ядро, де реалізується відповідна реакція.

3. Структурні білки, що не мають специфічної біологічної активності. Вони характеризуються наявністю великих гідрофобних ділянок структури, тому легко утворюють різної міцності ліпідно-білкові комплекси. Ймовірно, вони слугують кістяком, "якорем" для закріплення молекул периферичних ферментних білків, глікопротеїнових структур, що утворюють зовнішній шар плазматичної мембрани – глікокалікс.

З іншого боку, до плазматичної мембрани зсередини кріпляться елементи цитоскелету - мікротрубочки, мікрофіламенти, волокна різної структури, що зв'язують у єдину структуру всі мембранні утворення клітини, закріплюючи й орієнтуючи молекули ферментів і рецепторів. Структурні білки також беруть участь у забезпеченні оптимальних умов для їхньої роботи, для оптимального функціонування складних ферментних комплексів. Відомо, наприклад, що заміна одного амінокислотного залишку в гігантській молекулі структурного білка мітохондрій порушує процес зборки ферментів дихального ланцюга.

Рис.2. Рідинно-мозаїчна модель біологічної мембрани: I і II - різні розподіли глікопротеїнів (Гп₁ і Гп₂), зв'язаних з елементами цитоскелета (мікротрубочками і мікрофіламентами - М), у мембрані (по О. L. Nicolson, 1976)

Крім ферментів і інших білків здатні перетинати мембрану через усю її товщину, утворити структуру свого роду канали для переносу через гідрофобну зону мембрани іонів і метаболітів.

Білок-каналоутворювач контактує з фосфоліпідами мембрани своїми гідрофобними угрупованнями, тоді як внутрішні стінки каналу несуть заряд. У залежності від виду заряду канал бере участь у переносі аніонів (наприклад, хлору) чи катіонів (водню, натрію, калію, кальцію). Найчастіше молекули каналоутворвювачі сполучені з перетворювачами енергії (АТФ-азами) і здатні сполучити активний транспорт іонів з іншими векторними процесами, спрямованими проти градієнта концентрації. Транспортна функція мембранних білків реалізується як за допомогою систем активного транспорту (Na⁺, К⁺ –АТФ-азою, Са²⁺-АТФ-азою), так і за допомогою простих каналоутворювачів із пропускною здатністю, що перемежовує, а також за допомогою рухливих переносників. В останньому випадку комплекс гормону (наприклад, інсуліну, пролактину), вітаміну (ретинол, ретиналь, ретиноєва кислота) з рецепторним білком перетинає плазматичну і ядерну мембрану і досягає хроматину, взаємодіючи з визначеними локусами хромосом.