3.3. Клеточные мембраны
При изучении строения клеток методом электронной микроскопии 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 тёмными наружными (по 2-2,5 нм) и светлым внутренним (около 3 нм) слоями, которые по всем показателям соответствуют клеточным мембранам. В тёмных слоях повышено содержание металлического осмия.
При скалывании замороженных клеток линия скола проходит по свет-лому 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 рас-творами с высокой ионной силой от них отделяется часть связанных бел-ков, которые удерживались на внешней стороне мембраны только ионны-ми силами или водородными связями (периферические белки).
Представленная на рисунке мембрана по Сингеру и Николсону состо-ит из бислоя липидов, в котором плавают (или закреплены) белковые мо-лекулы, образуя в нём своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь и погружаться в него (интегральный белок 1) или примыкать к бислою (периферический белок 2). Многие мембранные белки являются гликопротеинами (3), а мембранообразующие липиды – гликолипидами (4). На рисунке показаны также холестерин (5), олиго-сахарид (6), элементы цитоскелета (7).
Ко времени разработки этой модели было хорошо изучено строение амфифильных соединений, которые по их способности растворяться в неполярных растворителях относились к липидам, т.е. жироподобным ве-ществам. В отличие от обычных поверхностно-активных веществ выделен-ные из клеток амфифильные липиды имеют по два гидрофобных угле-водородных остатка, которые придают им способность к образованию в воде ассоциатов с двойным слоем молекул, где полярные фрагменты обра-щены в сторону водной фазы, а неполярные, закрытые от воды полярными, образуют внутренний гидрофобный слой. В отличие от обычных мицелл (мицеллы образуются при ассоциации ПАВ с одним гидрофобным остат-ком) такие двухслойные системы могут формировать шарообразные или иные полые образования, внутри которых заключена часть захваченной водной фазы, их называют липосомами. Полученные простым смешением мембранных липидов с водой липосомы различаются по размеру в широ-ких пределах, они могут иметь достаточно сложное строение, когда внутри одной липосомы находится несколько более мелких или когда просто идёт чередование слоёв с прослойками из включенной в липосому жидкости. В пределах липидного бислоя составляющие его молекулы достаточно подвижны, но перемещение одной молекулы с внешней стороны на внут-реннюю и наоборот затруднено, поскольку для этого полярная часть моле-кулы должна пройти через неполярный слой. В общем случае мембрана представляет собой двухмерную жидкость. Углеводородные составляю-щие амфифильных липидов, имеют разную длину и поэтому есть взаимо-проникновение «хвостов» липидных молекул одного слоя в другой, что ещё более стабилизирует систему.
Включённые в клеточную мембрану белки могут перемещаться в этой двухмерной жидкости в результате латеральной диффузии. В принци-пе должно было бы происходить даже слипание, агрегация интегрирован-ных в мембрану белковых молекул, но этого не происходит из-за присутствия в мембранах стероидных составляющих и фиксации белков микротрубочками и микронитями, структурирующими всё внутреннее пространство клетки (это и есть цитоскелет).
Мембраны разных клеток отличаются как составом входящих в их состав липидов, так и набором интегрированных и ассоциированных бел-ков. В клетках есть также различие в составе липидов внутреннего и внеш-него слоя мембраны. Это связано, во-первых, со строением и ролью бел-ков, находящихся на внутренней и на внешней поверхности мембраны, а во вторых, с различием в составе внутренней среды клетки и окружающей её (интерстициальной) жидкости. На внешней поверхности клетки нахо-дятся также гликолипиды и гликопротеины с олигосахаридными участ-ками, определяющими иммунный статус клетки. Асимметрия мембран по составу липидов на примере эритроцитов такова: на внешнюю сторону мембраны, окружающей эти клетки, смотрят гидрофильные фрагменты фосфатидилхолина и ганглиозидов, с внутренней, цитозольной стороны мембраны – фосфатидилэтаноламина (кефалина), фосфатидил-серина и сфингомиелина. Стероидные липиды служат для регуляции жидко-кристаллических свойств мембран и для фиксации в них белков.
Важнейшая функция мембран – это транспорт через неё веществ и частиц в обоих направлениях. Частицы, в том числе болезнетворные бакте-рии или вирусы, могут захватываться клеткой (эндоцитоз), когда клеточ-ная мембрана обволакивает частицу и внутри клетки отделяется в виде пузырька (везикулы) с включением. При экзоцитозе протекает обратный процесс, при котором мембрана везикулы, образовавшейся, наример, в результате работы аппарата Гольджи, сливается с внутренней стороны с мембраной клетки и образует пору, через которую содержимое везикулы выходит в интерстициальную жидкость. Более сложен механизм обмена молекулярными веществами. Мембрана является хорошей преградой на пути диффузии полярных молекул и ионов. Плотный внутренний слой гидрофобных остатков мембранных липидов задерживает их достаточно эффективно, но диффузия ионов всё же идёт через небольшие поры в мем-бране или через участки с пронизывающими мембрану интегрированными белками. Более легко проходят через клеточную мембрану молекулы непо-лярных веществ, поскольку внешние гидрофильные фрагменты мембран-ных липидов не образуют плотного слоя. Непреодолима клеточная мемб-рана для любых крупных молекул. Внутренняя среда клетки – цитозоль – содержит много кислот с высокой молекулярной массой, из-за чего с внут-ренней стороны мембраны (если, конечно, её целостность не нарушена) формируется отрицательный заряд, а с внешней стороны – положитель-ный. Это является результатом пассивной диффузии катионов и неболь-ших анионов, хотя определённый вклад в возникновение этой разницы потенциалов могут внести и белковые системы активного транспорта, называемые чаще всего насосами, но общее название таких траспортных белков – транслоказы.
Переносящие ионы транслоказы предназначены для поддержания определённого водно-солевого баланса между клеткой и окружающей сре-дой. В частности, у человека в норме концентрация ионов калия внутри клетки примерно в 40 раз выше, чем в интерстициальной жидкости, а концентрация ионов натрия в цитоплазме в 10 раз меньше, чем вне клетки. Поскольку транслоказы осуществляют активный транспорт веществ про-тив градиента концентраций, для него нужен источник энергии. Чаще всего это энергия ангидридной связи в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). Так, например, Na+,K+-насос (Na+,K+-АТФ-аза) представляет собой комплекс белков, пронизывающих клеточную мембрану. В цитозоле спе-циальный участок этого комплекса связывается с тремя ионами натрия и фосфорилируется аденозинтрифосфатом. Это вызывает структурную пере-стройку белков, в результате которой ионы натрия оказываются на внеш-ней стороне клеточной мембраны и обмениваются на два иона калия. Это приводит к новой структурной перестройке с перемещением участка белка с ионами калия на внутреннюю сторону мембраны. Здесь гидролитически отщепляется фосфатная группа и ионы калия заменяются на ионы натрия. Следует новое фосфорилирование и описанная последовательность повто-ряется. Один цикл работы Na+,K+-АТФ-азы описывается схемой:
Первое превращение протекает в цитозоле, второе – в интерстици-альной жидкости и третье – снова в цитозоле. На поддержание водно-солевого баланса в тканях тела человека может тратиться до 40% всего образующегося в организме АТФ. Работа Na+,K+-АТФ-азы может быть за-блокирована некоторыми соединениями стероидной природы, называемы-ми сердечными гликозидами. Они ингибируют гидролитическое отщепле-ние остатка фосфорной кислоты от фосфорилированной Na+,K+-АТФ-азы.