Биологические мембраны - это высокоорганизованные структуры толщиной 6-10 нм, состоящие в основном из белков и липидов, и окружают клетку или субклеточные структуры.

 

Главные структурные компоненты мембран - липиды (D40%) и белки (D50%). Кроме того, в них есть углеводы (2-10%), связанная вода (около 30% всей массы) и в некоторых мембранах - следы РНК (до 0,1%). Относительные количества липидов и белков значительно варьируют: например, в миелиновой мембране липиды составляют 75% и 25% - белки, а во внутренней мембране митохондрий на долю липидов приходится 25% и 75% составляют белки.

 

Липиды мембран. В клеточных мембранах присутствуют липиды трех классов: фосфолипиды, гликолипиды и стерины. Фосфолипиды составляют основную часть липидного компонента мембран (80%). В мембранных структурах содержатся фосфолипиды двух типов - фосфоглицериды и сфингофосфатиды. Среди фосфоглицеридив наиболее распространены в мембранах фосфатидилхолин, присутствуют также фосфатидилетано-ламины, фосфатидилсерина, фосфатидилинозитола и кардиолипину. Сфингофосфатиды представлены сфингомиелина, который чаще всего встречается в мембранах клеток мозга. Важными компонентами плазматических мембран нервных клеток является гликолипиды: цереброзида, сульфатиды, церамидполигексозиды и ганглиозиды. Третий класс липидов - стерины - представлен холестерином, который содержится, главным образом, в плазматической мембране клеток.

 

Липидный бислой мембран. Структура липидов биологических мембран имеет одну общую черту, которая предопределяет их идеальную способность к образованию двойного липидного слоя. Все мембранные липиды представляют собой амфипатични, или амфифильных молекулы, т.е. один конец их молекул гидрофильный или полярный, другой - гидрофобный или неполярный. Гидрофильный конец или полярную «головку» в фо-сфолипидах составляет фосфатный остаток с присоединенным к нему холином, этаноламином, серина или инозитол, а в гликолипиды-углеводный компонент. Гидрофобный конец или «хвост» образуют углеводородные радикалы жирных кислот и сфингозина. Молекулы фосфолипидов имеют два углеводородных «хвосты», состоящие из жирных кислот, одна из которых является насыщенной, а другая - ненасыщенные и содержит одну или более цис-двойных связей, вызывающих появление изгибов в «хвосте».

 

В холестерина амфипатични свойства выражены слабо и, несмотря на наличие гидроксильной группы, его молекула в основном является гидрофобной.

 

Амфипатичний характер молекул фосфолипидов и гликолипидов заставляет их в водных растворах самовольно формировать бимолекулярные слоя. Периферические зоны слоя, образованные полярными гидрофильными зонами, взаимодействуют с водной фазой, а незаряженные «хвосты» образуют гидрофобную центральную зону (рис. 51). Такое же строение имеют естественные клеточные мембраны. Холестерин встраивается между фосфо-липидными молекулами таким образом, что его гидроксильная группа контактирует с водной фазой, а остальные молекулы располагается внутри гидрофобного слоя. Благодаря липидном бислоя двухслойная липидная мембрана практически непроницаемой для ионов и большинства полярных молекул, потому что они не растворяются в его гидрофобной зоне. Но она проницаемой для молекул липидной природы, например, стероидных гормонов. Ионы и водорастворимые молекулы проходят через мембрану каналами формируются белками или с помощью белков-переносчиков (см. ниже).

 

Белки мембран. Основные структурные особенности биологических мембран определяются свойствами липидного бислоя, тогда как большинство их специфических функций осуществляется белками. Основываясь на роли белков в составе мембран, их можно разделить на пять групп: 1) структурные белки, участвующие в поддержании структуры всей мембраны, 2) транспортные белки, которые осуществляют трансмембранный перенос веществ, 3) белки-ферменты, катализирующие реакции, которые происходят на мембранах, 4) рецепторные белки, специфически связывающих определенные соединения (гормоны, нейромедиаторы, токсины) на внешней стороне мембраны; 5) контрактильные белки, ответственные за подвижность отдельных клеток и компонентов мембран.

 

В зависимости от прочности связи с мембраной различают интегральные и периферические белки. Интегральные белки пронизывают мембрану насквозь или глубоко располагаются в липидном бислое. Эти белки имеют амфипатични свойства: у них есть гидрофобные участки, которые проходят сквозь мембрану и взаимодействуют с гидрофобными «хвостами» липидных молекул внутри бислоя (с помощью гидрофобных взаимодействий), и гидрофильные участки. Последние обращены к воде с обеих сторон мембраны и электростатически взаимодействуют с полярными «головками» липидов. Интегральные белки могут содержать в своем составе углеводороды фрагменты, которые выступают на внешнюю поверхность мембраны. Хорошо изученным интегральным гликопротеином один из основных белков плазматической мембраны эритроцитов - гликофорин. Молекула глико-Форин имеет один полипептидная цепь, состоящая из трех частей («доменов»). На внешней поверхности мембраны локализован его гидрофильная N-конечная участок, с которым связано 15 олигосахарид-ных цепей, содержащих около 100 моносахаридов (рис.52). Углеводы составляют примерно 60% всей массы белка. Вторая часть молекулы, которая пронизывает липидный бислой, представляет собой ?-спиральную участок насчитывает около 30 аминокислотных остатков. Третья C-конечная участок - гидрофильная и располагается на внутренней поверхности мембраны. Углеводные компоненты гликофорину служат рецепторами для вирусов гриппа, фитогемаглютинин, а также являются носителями антигенов групп крови MN-типа.

 

Большинство интегральных белков, как и гликофорин, пронизывают бислой в виде одной ?-спирали, но есть белки, которые пересекают его несколько раз в виде серии ?-спиралей (бактериородопсина, родопсин, белок полосы 3). ?-Структуры в мембранных белках встречаются редко. Участки молекул, которые расположены вне мембраной и контактируют с водной фазой, образованные преимущественно неупорядоченными структурами. Периферические белки отличаются от интегральных меньшей глубиной проникновения в бислой и слабее белок-липидными взаимодействиями. Они расположены на наружной и внутренней поверхностях мембран. Различают поверхностные белки, связанные электростатическими взаимодействиями с полярными группами липидов, а также поверхностью интегральных белков, и собственно периферические белки. Последние частично погружены в мембрану и кроме электростатических сил содержатся также гидрофобными взаимодействиями, например цитохром с. В поверхностных белков принадлежит спектрин, на долю которого приходится около трети всех эритроцитарных белков. Палочкоподибни молекулы спектрина связанные с интегральным белком полосы 3 через другой белок - анкирин и образуют гибкую сетевидным структуру (цитоскелет) на цитоплазматической поверхности мембраны, которая поддерживает структурную целостность и двоувигнуту форму эритроцитов.

 

Углеводы мембран входят в мембранные структуры не самостоятельно, а в составе гликопротеинов и гликолипидов. Располагаясь преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны клеток, именно углеводы определяют ее специфичность. Они обеспечивают межклеточные взаимодействия, а также формируют рецепторные участки мембран.

 

Жидкостно-мозаичная модель мембран. В наше время общепринятой является жидкостно-мозаичная модель строения мембран, предложенная в 1972 г. С. Сингер и Дж. Николсоном и усовершенствованная С. Сын-герром в 1981 г. Согласно этой модели основу мембран составляет липидный бислой, в который погружены молекулы белков , нековалентно связанные с липидами (рис. 53).

 

Если смотреть на такую мембрану сверху, то она мозаичность, образованную полярными «головками» липидов и белками. Все клеточные мембраны являются динамическими структурами. Подвижные компоненты в них - липиды. Положение молекул липидов в мембранах упорядоченное, однако они способны диффундировать в пределах одного монослоя параллельно поверхности мембраны (латеральная диффузия) со скоростью до 2 мкм за 1 с, совершать вращательные и колебательные движения. С меньшей скоростью они могут переходить из одного монослоя в другой («флип-флоп» - перескок).

 

Слои липидов, прилегающих к белку (пограничные), более упорядочены, то есть их подвижность ограничена по сравнению со свободными липидами. Липиды способны образовывать упорядоченные зоны - кластеры, в которых все молекулы имеют одинаковый угол наклона, и плотность упаковки молекул может существенно отличаться от соседних с ними зон. Продолжительность жизни кластеров составляет около 10-6-10-7 с, а количество молекул-от нескольких десятков до нескольких сотен.

 

Для молекул белков также характерные латеральные, колебательные и вращательные движения, однако они не могут переходить с одной стороны бислоя на другой. Некоторые белки почти такие же подвижные, как и липиды, другие-практически неподвижны. Подвижность белков определяется не только их свойствами, но также фазовым состоянием липидов.

 

Липидный бислой может находиться в жидком (ридиннокристалич-ном) неупорядоченные или кристаллическом (твердом) упорядоченном состоянии. Переход от одного состояния к другому (или фазовый переход) определяется липидным составом мембран. Наличие большого количества насыщенных жирных кислот приводит к упорядоченному кристаллического состояния мембраны и повышает температуру перехода к неупорядоченного жидкостного состояния. Присутствие двойных связей в цис-конфигурации приводит к появлению изгибов в цепях, что мешает их взаимодействия, повышает текучесть бислоя и снижает температуру фазового перехода. Важным регулятором фазовых переходов мембран является холестерин, привлечение которого приводит к образованию состояний с промежуточной текучестью. Если бислой находится в жидком состоянии, то холестерин переводит его в упорядоченное состояние, создавая препятствие для перемещения ацильных цепей; кристаллическую же структуру мембраны холестерин переводит в неупорядоченный состояние, располагаясь между ацильные цепями. Текучесть мембраны сильно влияет на ее функционирование. В случае увеличения текучести мембраны ослабляются ее барьерные свойства, и она становится более проницаемой для небольших молекул. Считается, что большинство мембран в живых организмах в условиях физиологической температуры находится в промежуточном (между жидким и твердым) состоянии.

 

Важным свойством мембран является асимметрия. Для мембран характерна асимметрия функциональных и обменных процессов, обеспечивается асимметричным распределением их компонентов. Например, в плазматической мембране эритроцитов примерно 80% сфингомиелина и большая часть фосфатидилхолина локализованы во внешней части бислоя, а весь фосфатидилсерин и 80-85% фосфатидилэтаноламин-во внутренний. Холестерин преобладает во внешнем монослое мембраны. Белки, участвующие в процессах узнавания и рецепции, располагаются во внешнем монослое, а большинство ферментов - во внутреннем. Углеводные компоненты располагаются на внешней поверхности, иногда образуя сплошное покрытие - гликокаликс. Все это характеризует поперечную асимметрию мембран.

 

Искусственные мембраны. Искусственные мембраны получают из фосфолипидов разными способами. Вследствие взбалтывания или обработки ультразвуком суспензии фосфолипидов в воде, образуются сферические бислой везикулы, которые называются липосомами (диаметром 200-2000 ?). Липосомы могут состоять из одного (одноламелярни) или нескольких (муль-тиламелярни) бислоя фосфолипидов, чередующиеся с водным пространством. В наше время все большее значение приобретает возможность использования фосфолипидных везикул для доставки в клетку лекарственных средств. Это имеет ряд преимуществ: 1) введение веществ внутрь липосом защищает их от действия ферментных систем организма, 2) липосомы формируются из природных фосфолипидов, в связи с чем они легко включаются в обменные процессы в организме и практически безвредными;

 

3) благодаря способности липосом взаимодействовать с мембранами клеток становится возможным введение внутрь клеток веществ, которые не проникают через клеточную мембрану или имеют ограниченную проницаемость;

 

4) вследствие ограниченной проницаемости липосом возможно их использование для дозированного поступления лекарственного препарата и снижения его токсичности, 5) липосомы можно применять для направленного транспорта биологически активных молекул в определенных органов и тканей, для чего в их мембраны необходимо включить молекулы, узнаются специфическими рецепторами плазматической мембраны клеток-мишеней.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+