Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология

Подождите немного. Документ загружается.

натяжение снижается до величины, характерной для поверхностного

натяжения клеток.

Образовавшиеся искусственные липидные мембраны служат

непроницаемым барьером для любых заряженных молекул, даже для ионов

солей. Это определяет основное функциональное свойство мембран -

служить преградой для свободной диффузии через слой липидов. Это

свойство может быть использовано для практических целей. Так при

смешивании липидов в водной среде образуется масса полых мембранных

пузырьков, липосом (рис. 120). Жидкость, попавшая внутрь этих пузырьков,

уже не может свободно обмениваться с жидкостью, находящейся снаружи.

Таким образом искусственные мембраны липосом можно “загрузить”

лекарственными веществами, которые могут в нужных концентрациях

поступать к клеткам.

Мембранные белки встроены в билипидный слой

В среднем в липопротеидных мембранах белки по весу составляют 50%.

Но количество белков в разных мембранах может быть различным. Так в

мембранах митохондрий на долю белков приходится около 75%, а в

плазматической мембране клеток миелиновой оболочки - около 25%. Но так

как липидные молекулы имеют небольшой размер (около 0,5 нм) и

молекулярный вес, их число по отношению к числу белковых молекул выше

в 50 раз. Поэтому белковые молекулы как бы вкраплены в билипидный слой

мембраны. Часть из них связана с липидными головками с помощью ионных

(солевых) связей и поэтому легко экстрагируется из мембран растворами

солей. Другие образуют солевые связи с полярными участками липидов

через взаимодействие с ионами Mg

или Ca

, такие белки экстрагируются с

помощью хелатных соединений, таких, как версен (ЭДТА). Такие легко

экстрагируемые белки большей частью расположены на мембранах со

стороны цитоплазмы. В цитоплазматической мембране эти белки тесно

связаны с белковыми структурами цитоскелета.

221

Большая часть белков взаимодействует с липидами в составе мембран на

основе гидрофобных связей. Оказалось, что многие мембранные белки

состоят как бы из двух частей: из участков, богатых полярными (несущими

заряд) аминокислотами, и участков, обогащенных неполярными

аминокислотами (глицином, аланином, валином, лейцином). Такие белки в

липидных слоях мембран располагаются так, что их неполярные участки как

бы погружены в “жирную” часть мембраны, где находятся гидрофобные

участки липидов (рис. 121). Полярная (гидрофильная) же часть таких белков

взаимодействует с головками липидов и обращена в сторону водной фазы

(рис. 122), поэтому такие белки, связанные с липидами путем гидрофобных

взаимодействий, практически не экстрагируются в водных фазах. Их можно

выделить, лишь разрушая мембрану, экстрагируя из нее липиды или

органическими растворителями, или детергентами. Поэтому эти белки

мембран и называют интегральными.

Размер интегральных мембранных белков в среднем равен 8 нм, но

встречаются крупные белки - до 35 нм величиной (белок тилакоидов

хлоропластов). Обычно это очень асимметричные по своей природе белки и

соответственно асимметрично локализованы в мембране (рис. 123): их

разные функциональные части локализованы по обе стороны мембраны, и

все белки данного типа расположены одинаково. С цитоплазматической

стороны мембраны интегральные белки связаны с периферическими

белками.

Эти представления, полученные при изучении химии клеточных мембран,

были блестяще подтверждены морфологическими исследованиями. При

использовании метода замораживания-скалывания, скол через мембраны

может идти через центральную, липидную, зону. В этом случае обнажается

масса глобул, белковой природы, находящихся в составе липидного слоя.

Размер таких глобул около 4-8 нм. Эти и другие биохимические данные

послужили основой для создания модели мембраны с мозаичной укладкой:

222

мембрана состоит из неплотно упакованных белковых глобулярных белков,

свободное пространство между которыми заполнено липидными молекулами

(рис. 121). При этом часть белков может быть связана только с полярными

группами липидов и может находиться на поверхности билипидного слоя;

другие белки могут частично или даже полностью погружены из-за

гидрофобных свойств своих участков в липидный слой; третьи - могут

пронизывать мембрану насквозь. Интересно, что большая часть липидных

молекул (70%) не связана с белками, так что белковые молекулы как бы

плавают в “липидном озере”.

Липиды и белки мембран обладают латеральной подвижностью

Исследование искусственных липидных бислоев показало, что эти

мембраны представляют собой двумерную жидкость, обладающую

вязкостью, сравнимую с вязкостью оливкового масла. В составе таких и

естественных мембран молекулы липидов постоянно движутся с огромной

скоростью (коэффициент диффузии для них равен 10

-8

см

х с

),достигающей 2 мкм за 1 с.

Липидные молекулы двигаются вдоль липидного слоя, могут вращаться

вокруг своей оси, а также переходить из слоя в слой, что происходит редко и

с помощью специальных переносчиков. Белки плавающие в “липидном

озере” также обладают латеральной, продольной подвижностью, но скорость

их перемещения в десятки и сотни раз ниже. Изучать перемещение белковых

молекул в составе мембран на живых клетках проще на примере

плазматической мембраны. Белки плазматической мембраны,

гликопротеины, часто имеют олигосахаридные цепочки, смотрящие на

внеклеточную среду.

Для исследования свойств плазматической мембраны широко

используются лектины, белки растительного происхождения, которые

специфически связываются с олигосахаридами мембранных белков. Так,

лектин конканавалин А (КонА), выделенный из растения канавалии

223

мечевидной, связывается с олигосахаридами, имеющими на концах глюкозу

или маннозу. Лектин из бобов сои связывается с N-ацетилглюкозамином, а

лектин из проростков пшеницы, кроме того, и с галактозой. На поверхности

белков-лектинов имеются два или более района специфического связывания

с углеводами. Если лектины добавлять к взвеси эритроцитов, то это

вызывает их осаждение, сопровождающееся слипанием - агглютинация.

Поэтому лектины еще называют агглютининами.

Такая реакция агглютинации эритроцитов вызвана тем, что лектин,

например КонА, взаимодействуя с концевыми сахарами углеводов

гликопротеидов, как бы сшивает эритроциты друг с другом, чем и вызывает

их осаждение. Так как полисахариды есть на поверхности плазматической

мембраны любых клеток, то лектины могут связываться с ними. Места

посадки лектинов можно увидеть в электронном микроскопе, если связать

лектины с электронноплотным белком ферритином. Более удобно

регистрировать лектины на поверхности клеток с помощью

иммунофлуоресцентного метода (см. выше). Использование этого метода

позволило проследить за поверхностью белков в плоскости мембран. Так,

оказалось, что при добавлении к клеткам, поверхность которых связана с

КонА, антител против КонА, меченных флуорохромом, обнаруживается

свечение по всей поверхности клетки. Это значит, что белки-гликопротеиды,

полисахаридные цепи которых образуют слой, равномерно разбросаны по

поверхности клеток. Однако через некоторое время на поверхности клетки

видно не сплошное свечение, а отдельные множественные пятна или точки

(их назвали “заплатками”, по-английски patch). Затем эти пятна собираются

в одну зону - “колпачок”. Следовательно, белки, связанные с лектинами,

могут быстро перемещаться в плоскости плазматической мембраны.

Интересно, что “колпачок” всегда формируется над тем местом клетки, где

находятся центриоли и аппарат Гольджи. Дальнейшая судьба этого колпачка

может быть у разных клеток различной: у фибробластов колпачки могут

224

отделяться и отрываться от тела при движении клетки, у других

(лимфоциты) происходит поглощение этих участков внутрь клетки

(эндоцитоз) и переваривание их там (рис. 124).

Латеральную подвижность белковых (гликопротеидных) молекул

плазматической мембраны можно наблюдать при изучении клеточных

гибридов, имеющих разные поверхностные антигены, которые можно

пометить. В этом случае сначала в гибридной клетке антигены поверхностей

были разобщены, а через некоторое время они равномерно распределились

по всей поверхности гетерокариона .

Клеточные мембраны асимметричны

Состав липидов по обе стороны мембраны различен, что определяет

асимметричность в строении билипидного слоя. Так, с помощью

химического маркирования было найдено, что 80% сфингомиелина и 75%

фосфатидилхолина, и 20% фосфатидилэтаноламина локализованы на

наружной поверхности плазматической мембраны, на внутренней же -

располагается весь фосфатидилсерин и 80% фосфатидилэтаноламина.

Примерно такую же композицию имеют мембраны эндоплазматического

ретикулума (для них наружной надо считать ту поверхность, которая

обращена внутрь полости).

Особенно выражена асимметрия мембран в отношении интегральных

белков. В составе естественных мембран белки строго ориентированы.

Большей частью их N-концы смотрят в полость вакуолей или в случае

плазматической мембраны, во внешнюю для клетки среду. Такое полярное

расположение цепи белковой молекулы в липидном бислое создается в

процессе синтеза мембранного белка на рибосоме (см. ниже).

Полуинтегральные и примембранные белки также асимметрично

расположены в мембранах. Так в эндоплазматическом ретикулуме белки-

ферменты, синтезирующие липиды, расположены на цитозольной стороне

225

мембран, а ферменты, пришивающие сахара к белковым цепочкам,

гликозидазы, локализованы на внешней стороне мембраны.

Наличие углеводного компонента характерно практически для всех

мембран клетки, но особенно для мембран вакуолярной системы и

плазматической мембраны. Углеводный компонент мембран представлен

главным образом гликопротеинами - молекулами белков, ковалентно (в

отличие от нуклеопротеидов) связанных с цепочками углеводов. Как

правило, цепочки углеводов расположены в наружных слоях мембран (для

цитоплазматических вакуолей наружными считают слои, обращенные не к

матриксу цитоплазмы, а в полость везикул или вакуолей). Они имеют

ковалентные связи с интегральными белками, образуя гликопротеиды, или с

липидами (гликолипиды). Углеводы мембран представляют собой короткие

линейные или разветвленные цепочки, в состав которых входят галактоза,

манноза, фруктоза, сахароза, N-ацетилглюкозамин, N-ацетилгалактозамин,

пентозы - арабиноза и ксилоза, а также нейраминовая (сиаловая) кислота.

Значение этого компонента очень велико для функционирования

плазматической мембраны.

Разные мембраны имеют различные свойства

Несмотря на поразительную схожесть строения различных мембран,

построенных по принципу липидного бислоя с вмонтированными в него

белками, физические и химические свойства разных мембран различны. Это

связано с тем, что в разных мембранах общий состав липидов значительно

различается, что определяет особые свойства мембран.

Разные мембраны клетки могут отличаться друг от друга по количеству

липидов. Так, плазматическая мембрана содержит 35-40% липидов, а

мембраны митохондрий - 27-29%. Самое высокое содержание липидов в

плазматической мембране шванновских клеток, образующих миелиновую

оболочку нервов, - дл 80%.

226

Было обнаружено, что клеточные мембраны сильно отличаются друг от

друга по составу липидов. Так, плазматические мембраны клеток животных

богаты холестерином (до 30%) и в них мало лецитина, в то время как

мембраны митохондрий, наоборот, богаты фосфолипидами и бедны

холестерином. Из общего количества липидов содержание

фосфатидилхолина (лецитина) во фракциях эндоплазматической сети

составляет 60-70% от всех фосфолипидов, в то время как в плазматической

мембране его может быть 25-35%.

В целом для плазматической мембраны характерно высокое содержание

холестерина и сфинголипидов, а также преобладание насыщенных и

мононенасыщенных жирных кислот в составе фосфолипидов, тогда как в

митохондриях, эндоплазматической сети и во многих других

цитоплаззматических мембранах содержится мало холестерина и

сфинголипидов и сравнительно много полиненасыщенных жирных кислот.

Видимо, в связи с этим мембраны цитоплазмы менее жесткие, чем

плазматическая мембрана, они более “легкоплавки”.

Особенно отличаются мембраны по составу белков, которые, главным

образом, определяют функциональные свойства мембран.

По биологической роли мембранные белки можно разделить на три

группы: ферменты, рецепторные белки и структурные белки.

Набор ферментов в составе мембран может быть очень велик и

разнообразен (например, в плазматической мембране клеток печени

обнаружено не менее 24 различных ферментов). В разных мембранах

существует характерный набор ферментов. Например, в плазматической

мембране, как и во многих других, локализуется K

-Na

-зависимая АТФаза,

участвующая в транспорте ионов. В митохондриях специфическим

является набор белков - переносчиков электронов и феремент АТФ-

синтетаза, обеспечивающие окислительное фосфорилирование и синтез

АТФ.

227

Рецепторные белки специфически связываются с теми или иными

веществами и как бы их узнают. Это белки-рецепторы для гормонов, для

узнавания поверхности соседних клеток, вирусов, фагов у бактерий и т.д. К

этой группе относятся фоторецепторные белки. Вообще же рецепторные

белки входят в состав любых мембран. Так на внешней мембране

митохондрий расположены рецепторы, участвующие в узнавании и

транспорте митохондриальных белков, переносимых из цитозоля в

митохондрии. На мембранах эндоплазматического ретикулума находятся

рецепторы, узнающие и связывающие рибосомы, на ядерной оболочке -

рецепторы кариофильных белков и т.д. На плазматической мембране

расположены как рецепторы, узнающие соседние клетки или даже

отдельные ионы солей (переносчики), так и белки, узнающие белки

цитоскелета в цитоплазме.

Мембраны ассоциированы с цитоплазматическими белками

Со стороны цитоплазмы мембраны связаны через примембранные или

собственно мембранные интегральные белки с разнообразными белковыми

структурами цитоплазмы. К ним относятся в первую очередь компоненты

цитоскелета. Это позволяет не только сделать мембраны более жесткими,

но и обеспечивает подвижность мембран, создавая возможности для их

транспортных функций. Например, жесткость плазматической мембраны

безъядерных эритроцитов создается за счет связывания сети

цитоплазматических белков с интегральными белками плазмолеммы. В ее

состав входит белок, т.н. “белок полосы III”, который обеспечивает

транспорт ионов через бислой, но одновременно через ряд белков

связывается с сетью белков-спектринов, которые создают жесткую

подмембранную сеть (рис. 125). Во многих эпителиальных клетках

специальные белки плазматической мембраны связываются с элементами

цитоскелета и участвуют в образовании целого ряда межклеточных

соединений (десмосомы, адгезивный контакт и др.). С элементами

228

цитоскелета связаны также оболочки клеточного ядра :внешняя ядерная

мембрана тесно ассоциирована с промежуточными филаментами, которые

фиксируют ядро в объеме цитоплазмы. Внутриклеточные вакуоли могут

перемещаться в клетке только при взаимодействии с фибриллярными

компонентами, такими как микротрубочки и микрофиламенты.

Митохондрии перемещаются в клетке также за счет ассоциации с

элементами цитоскелета.

Рост мембран происходит за счет встраивания готовых мембранных

пузырьков

После деления клеток происходит увеличение объемов растущих

дочерних клеток и тем самым рост клеточной поверхности, увеличение

площади плазматической мембраны. Но это не единственный пример

быстрого роста объема и поверхности. Поверхность быстро растущих

клеток в тычиночных нитях злаков может за 1 ч увеличиться в 65 раз, т.е.

каждую минуту плазмолемма нарастает на ее первоначальную величину.

Такую большую скорость роста плазматической мембраны можно

объяснить только тем, что происходит быстрое встраивание, интеркаляция,

пузырьков в растущую плазматическую мембрану. Здесь, внутриклеточные

мембранные пузырьки подходят к внутренней стороне плазматической

мембраны (возможно, их подгоняют к себе микрофиламенты кортикального

слоя), происходит слияние мембран и тем самым увеличение поверхности

плазматической мембраны (рис. 126).

Откуда же берутся эти готовые блоки, мембранные пузырьки? Удалось

проследить (см. ниже), что первичный генезис мембран происходит в

гранулярном эндоплазматическом ретикулуме, который является

источником всех клеточных мембран, кроме мембран митохондрий и

пластид. От мембран гранулярного ЭПР отщепляются мелкие вакуоли,

которые сливаются с мембранами аппарата Гольджи, от которого в свою

очередь, отщепляются мелкие мембранные вакуоли, сливающиеся или с

229

лизосомами, или с плазматической мембраной, или с секреторными

вакуолями.

Таким образом, наблюдается последовательный каскад переходов одних

мембран в другие. Первичные же мембранные вакуоли строятся за счет

синтеза белка и липидов на мембранах гранулярного ЭПР.

Рост мембран митохондрий и пластид иного характера. Увеличение

площади мембран митохондрий происходит за счет синтеза основной

массы белков и липидов в гиалоплазме клетки, вслед за чем эти

митохондриальные белки и липиды транспортируются через мембранную

оболочку митохондрий и встраиваются в их компоненты.

Глава 13. Плазматическая мембрана

Плазматическая мембрана, или плазмолемма, среди различных

клеточных мембран занимает особое место. Это поверхностная

периферическая структура, ограничивающая клетку снаружи, что

обусловливает ее непосредственную связь с внеклеточной средой, а

следовательно, со всеми веществами и стимулами, воздействующими на

клетку. Поэтому плазматической мембране принадлежит роль быть

барьером, преградой между сложно организованным внутриклеточным

содержимым и внешней средой. В этом случае плазмолемма выполняет не

только роль механического барьера, но, главное, ограничивает свободный

поток низко- и высокомолекулярных веществ в обе стороны через

мембрану. Более того, плазмолемма выступает как структура “узнающая”,

рецептирующая, различные химические вещества и регулирующая

избирательно транспорт этих веществ в клетку и из нее. Другими словами,

плазматическая мембрана осуществляет функции, связанные с

регулируемым избирательным трансмембранным транспортом веществ и

выполняет роль первичного клеточного анализатора. В этом отношении

плазмолемму можно считать клеточным органоидом, входящим в

вакуолярную систему клетки. Как и другие мембраны этой системы

230