Том 1 (1128365), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Первыеуказания на лимитирующие диффузию свойства клеточной поверхности былиполучены в середине XIX в. Карлом Вильгельмом Нагели, который отметил, чтоклеточная поверхность является барьером для свободной диффузии красителейвнутрь клетки из внеклеточной жидкости, и предположил, что существует некаяплазматическая мембрана. Он обнаружил также, что клетки набухают вразбавленных растворах и сжимаются в концентрированных, т.е. проявляютосмотические свойства. Позднее Вильгельм Пфеффер провел параллель междуосмотическими свойствами искусственных86Рис. 4.1. Электронная микрофотография поперечного среза плазматической мембраны.
Содержимоеклетки (внизу справа) отделено от внеклеточного пространства поверхностной мембраной - трехслойнойструктурой (темный, светлый, темный слои) толщиной около 10 нм. Такой вид структуры на фотографииобусловлен дифференциальным контрастированием электроноплотными веществами при подготовкепрепарата ткани. (Robertson, I960.)полупроницаемых мембран и свойствами живых клеток; это послужилодополнительным доказательством того, что живые системы подчиняютсязаконам физики и химии.Используя эритроциты в качестве осмометров (индикаторов осмотическогодавления), Эрнст Овертон в конце XIX в. выявил тесную взаимосвязь междурастворимостью вещества в липидах и его способностью проникать сквозьклеточную мембрану: чем больше эта растворимость, тем меньшийосмотический эффект вещество оказывает.
Овертон совершенно правильнообъяснил этот факт тем, что благодаря высокой растворимости в липидах данноевещество быстро проникает через клеточную мембрану. Как только онооказывается внутри клетки, осмотический градиент уменьшается инаблюдаются меньшая потеря воды и сжатие клетки, чем в присутствии непроникающего через мембрану вещества в той же концентрации. Эти данныеявились первым свидетельством того, что мембраны содержат значительноеколичество липидов.Морфологические данные о существовании клеточной мембраны былиполучены только после разработки методов приготовления ультратонких срезовтканей, фиксированных химическими методами для проведения электронномикроскопических исследовний.
На поверхности самых разных клеток былчетко виден непрерывный слой (рис. 4-1), который связывал электроноплотныеконтрастирующие вещества сильнее, чем свободная цитоплазма. Толщинамембраны составляла от 6 до 12 нм.Тонкая структура поверхности мембран была исследована позднее спомощью метода замораживания - скалывания (см.
рис. 4-10).8786 :: 87 :: Содержание87 :: 88 :: 89 :: Содержание4.1. Состав мембранМембраны состоят в основном из липидов и белков. Относительноесодержание этих компонентов сильно варьирует в зависимости от типамембран. Ферментативные свойства мембран связаны, конечно, с мембраннымибелками; к ним относятся флавопро-теины и цитохромы внутренней мембранымитохондрий, АТРазы, участвующие в активном транспорте, и аденилаткиназа,которая катализирует превращение АТР в сАМР. Из некоторых мембран, в томчисле митохондриальных, были выделены и белки, не являющиеся ферментами.Изменение структуры одного из таких белков, связанное с заменойединственного аминокислотного остатка, приводит к утечке цитохрома а измитохондрий. Таким образом, белки, не являющиеся ферментами, тоже оченьважны для функционирования мембран.
Это, например, белки, образующиеионные каналы (разд. 4.5.2), и белки - мембранные рецепторы, которыесвязывают гормоны, нейромедиаторы и другие эффекторы. Некоторые из этихбелков тесно связаны с липидными молекулами, поскольку липо-фильныегруппы экспонированы на поверхности белковой глобулы. Белково-липидныекомплексы называют липопротеинами.Мембранные липиды - менее сложные и крупные молекулы, чеммембранные белки, поэтому и изучены они полнее. Их удобно подразделить натри основные группы. Первые две-фосфоглицериды (фосфатидил этанол амин ифосфатидилхолин), в основе которых лежит отстаток глицерола, исфинголипиды (сфингомиелины), остов которых образован остаткамисфингозина. Оба этих соединения амфифильны (разд.
2.3.2), т. е. имеютполярные головки и неполярные хвосты (рис. 4-2). Группы, образующиеполярную головку, гидрофильны (растворимы в воде), а неполярные хвостовыегруппы гидрофобны (нерастворимы в воде).Двойственная природа этих мембранных липидов обусловливает ихключевую роль в организации биологических мембран. Полярные головки этихмолекул стремятся контактировать с водой (рис. 4-3), а неполярные хвосты,напротив, избегают таких контактов (см.
рис. 2-16) и притягиваются друг кдругу благодаря вандерваальсовым взаимодействиям. Таким образом, этимолекулы идеально подходят для образования поверхности раздела87Рис. 4.2. Фосфоглицеридфосфатидилхолин. Указаны заряды, обусловливающие полярный характер "головки". (Stryer, 1988.)Pиc. 4.3.
Ориентация фосфолипидных молекул на поверхности раздела воздух-вода. Полярные головкимолекул контактируют с водой, а гидрофобные хвосты выступают в воздух.между неводной липидной фазой внутри мембраны и водными внутри- ивнеклеточнымифазами,контактирующимисдвумя мембраннымиповерхностями. В водных растворах липидные молекулы спонтанно образуютбислои. На этой концепции основано большинство принятых моделеймембранной структуры; мы рассмотрим их в следующем разделе.Третья, большая группа мембранных липидов представлена стеролами(например, холестеролом) (рис.
4-4). Стеролы-ярко выраженные неполярныесоединения, они очень плохо растворяются в воде. В водных растворах ониобразуют комплексы с белками, гораздо более растворимые в воде, чем самистеролы. В составе мембран молекулы стерола встраиваются междууглеводородными хвостами фосфолипидов и сфинголипидов (рис. 4-5), чтоприводит к увеличению вязкости углеводородной сердцевины мембраны.По-видимому, низкая проницаемость мембран для полярных веществ (т. е.неорганических ионов и таких полярных электролитов, как сахароза и инулин)обусловленагидрофобнымисвойствамиуглеводородныххвостовфосфолипидных молекул.88Рис.
4.4. Холестерол. (Lehninger, 1975.)Рис. 4.5. Неполярные стеролы внедряются в мембрану между углеводородными хвостами и полярнымиголовками фосфолипидов.Мембранные липиды важны для проявления активности некоторыхмембраносвязанных ферментов. Например, высокоорганизованная ферментнаясистема митохондриальных мембран инактивируется при экстракции иотмывании мембранных липидов. Аналогично, некоторые транспортныеферменты, ассоциированные с поверхностной мембраной, теряют своюактивность в отсутствие специфических липидов.
Фермент β-галактозидаза,выделенный из поверхностных мембран, реактивируется при добавлениифосфатидилсерина, но не других липидов. Эти примеры иллюстрируютфункциональную взаимосвязь между различными молекулами, формирующимимембрану.8987 :: 88 :: 89 :: Содержание89 :: 90 :: Содержание4.2. Организация мембранМолекулярные механизмы функционирования мембран детально не изучены.Чтобы исследовать эти механизмы, полезно знать, как мембранные компонентысобираются в функционирующие единицы.
Но структурная и функциональнаяцелостность мембран утрачивается с выделением и очисткой их компонент, иэто затрудняет исследование организации мембран и их субструктуры. Делоосложняется еще и тем, что существует очень много разных типов мембран.Сейчас ясно, что во многом споры между создателями разных теорийорганизации мембран возникали именно в результате этого разнообразия.Структуру и организацию мембран можно изучать с помощью трех разныхподходов: 1) химическое фракционирование; 2) исследование физическихсвойств мембран; 3) получение искусственных мембран и включение в нихопределенных молекул для изучения их функций.4.2.1.
Простые модели бислоевВ 1925 г. Э. Гортер и Ф. Грендел опубликовали результаты экспериментов,на основе которых была построена одна из основополагающих моделейорганизации мембран. Они экстрагировали липиды теней эритроцитов 1 исоздали условия для распределения их по поверхности воды, налитой в кювету.Асимметричные липидные молекулы ориентировались таким образом, что ихполярные головки образовывали водородные связи с водой, а гидрофобныеуглеводородные цепочки торчали наружу, как показано на рис. 4-3. Пленкудиспергированных липидных молекул на поверхности воды аккуратно сжималив латеральном направлении и измеряли необходимую для этого силу.
Онаоставалась небольшой до тех пор, пока молекулы липида были диспергированыпо поверхности, а затем резко возрастала. Это возрастание происходило вмомент формирования компактного монослоя (рис. 4-6).89Рис. 4.6. Эксперимент Гортера и Грендела,послуживший основой для создания модели липидного бислоя мембраны. При латеральном сжатиилипидной пленки в некоторый момент наблюдается резкое увеличение прилагаемой силы,свидетельствующее об образовании сплошного монослоя.Измерение площади, занимаемой монослоем липидов, показало, что онапримерно вдвое больше площади поверхности клеточной мембраны, из которойбыли экстрагированы липиды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
