9. Мембранный принцип организации поверхности протоплазмы и органоидов растительной клетки; биохимическая и функциональная разнокачественность мембран, основные функции мембран.

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 внешних стимулов (гормоны и другие), 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. В основе 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.

Второй 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, окружающая весь протопласт, и тонопласт, окружающий 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 тонопласта несколько больше, чем плазмалеммы (~ 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 (ПД) 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 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 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, 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 «переносчика». 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. 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. Характерной чертой большинства высших растений являются пачки из 10 или более тилакоидов, называемые гранами и имеющие в диаметре, как правило, 0,4–0,5 мкм. В одном хлоропласте имеется 10–50 таких гран. Большая часть объема хлоропластов – строма. В строме содержатся ферменты, участвующие в фиксации углекислого газа и превращения его в различные продукты фотосинтеза.

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.

10. Основные принципы действия регуляторных механизмов растительной клетки, компартментация каталитических систем и метаболических фондов протопласта, как один из механизмов регуляции клеточного метаболизма, регуляторная роль мембран.

Регуляция обеспечивает гомеостаз клетки и организма в целом, что означает сохранение постоянства параметров внутренней среды, а также создание условий для его развития (эпигенеза).

Разнообразные реакции, протекающие в организме, должны быть согласованы между собой, и их строгая упорядоченность может быть обеспечена только эффективной регуляцией.

В многоклеточных организмах клетки различных тканей дифференцированы в функциональном и морфологическом отношениях, хотя они и возникают из похожих друг на друга эмбриональных клеток. Поскольку функции и структура клетки определяются происходящими в ходе развития процессами обмена веществ (например, синтез хлорофилла в зеленеющих и лигнина в древеснеющих клетках), регуляция обмена веществ служит определяющим фактором направления развития, иными словами, судьбы клетки.

Благодаря своим механизмам регуляции живые существа, так же как и автоматические системы, характеризуются целенаправленностью; даже по отношению к неблагоприятным внешним воздействиям они способны отвечать определенными состояниями. Например, поддержанием постоянства температуры в условиях ее изменения во внешней среде, поддержанием постоянного уровня АТФ в условиях избытка даваемого из вне дыхательного субстрата. Такого рода саморегуляция становится возможной благодаря принципу обратной связи; в термостате существует следующая причинная зависимость терморегуляции

Путем включения и выключения можно от руки регулировать температуру. Однако автоматически измеряющий температуру регулятор, включающий и выключающий нагрев в соответствии с показаниями, температура влияет на выключатель и в системе устанавливается обратная связь:

Выключатель → Нагрев → Температура

Р егулятор

Образование и концентрация любого продукта обмена веществ в клетке определяются следующей причинной зависимостью: