Том 1 (1128365), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Из своих наблюдений Гортер и Грендел сделаливывод, что липиды клеточной мембраны организованы в би-слой, состоящий издвух монослоев молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобныеуглеводородные хвосты упорядоченных молекул контактируют друг с другом, аполярные головки направлены наружу, в водную фазу (рис. 4-7, А). Такаяорганизация липидов лежит в основе модели липидного бислоя мембраннойструктуры. Данные, свидетельствующие о правильности этой концепции,представлены в дополнении 4-1. Более поздние исследования показали, чтосодержание липидов в мембранах эритроцитов таково, что площадь образуемогоими монослоя равна величине, лишь в 1,5 раза превышающей площадьклеточной поверхности.
Как оказалось, остальная площадь приходится на долюбелков, о чем мы будем говорить в следующем разделе.Аналогичная модель, тоже основанная на концепции бислояфосфолипидных молекул, была построена Дж. Ф. Даниелли, однако эта модельпредполагала наличие выстланных белками пор и слоя белковых молекул наповерхности липидного бислоя (рис. 4-7, Б). Даниелли включил в свою модельповерхностные белки, поскольку по оценкам поверхностное натяжениеклеточных мембран было ниже, чем поверхностное натяжение на границемасло-вода.
Впоследствии стало ясно, что низкое поверхностное натяжениеобусловлено гидрофиль-ностью полярных головок фосфолипидов.901 Тени-это пустые мембранные "мешки", остающиеся после гемолиза эритроцитов в гипотоническойсреде.89 :: 90 :: Содержание90 :: 91 :: 92 :: Содержание4.2.2. Жидкостно-мозаичная модельКак мы уже отмечали, химическое фракционирование мембран ииммунохимические исследования подтверждают представление о том, что белкиявляются важными компонентами мембран; более того, ферментативныесвойства мембран, проявляющиеся в их участии в активном транспорте и другихметаболических процессах, требуют наличия белков.
Некоторое время назадбыло высказано предположение, что эти белки имеют глобулярную структуру,поскольку все другие известные ферменты являются глобулярными белками,или имеют активные группы в глобулярной части. Оптические исследованияподтвердили представление о глобулярной природе мембранных белков. Былоустановлено также, что некоторые белковые молекулы свободно диффундируютв латеральном направлении, т. е. в плоскости мембраны; вероятно, это связано стекучестью липидного матрикса. Кроме того, исследования с применениемметки показали, что белковые молекулы или их части, экспонированные с однойстороны мембраны, отличаются от других, выходящих на противоположнуюсторону, и в норме они не меняются местами.
На основании этих данных Сингери Николсон в 1972 г. предложили жидкостно-мозаичную модель мембраны,согласно которой глобулярные белки интегрированы в липидный бислой; приэтом одни из них пронизывают его насквозь, а другие погружены лишь частично(рис. 4-8). Считают, что эти интегральные белки амфифильны, их неполярныеучастки погружены в углеводородную сердцевину бислоя, а полярныевыступают из сердцевины, образуя гидрофильную поверхность из заряженныхаминокислотных группировок в водной фазе (рис. 4-9). Гидрофобные боковыегруппы взаимодействуют с углеводородным бислоем, и благодаря этомуинтегральные белки удерживаются в мембране.Морфологические данные, свидетельствующие о мозаичной организацииглобулярных белков в липидном бислое, представлены на рис. 4-10. Здесьприведены три электронные микрофотографии поверхности мембраны,полученные методом замораживания - травления. Глобулярные компонентыудаляются из мембран при обработке их протеолитическими ферментами.Поскольку эти ферменты специфичны именно к белкам, можно сделать вывод90Рис.
47. А. Бимолекулярный слойГортера-Грендела. Б. Мембранная модель Даниэлли, где изображены липидные и белковые компонентымембраны.Рис. 4.8. Трехмерная схема жидкостно-мозаичной модели мембраны Сингера-Николсона; изображеныглобулярные интегральные белки, погруженные в липидный бислой. Одни из них являются ионнымиканалами, другие (например, гликопротеины) содержат олигосахаридные боковые цепи, участвующие вузнавании клетками друг друга и в межклеточной коммуникации.
Молекулы холестерола вплотнуюпримыкают к фосфолипидным головкам и фиксируют прилегающие участки "хвостов". Внутренниеучастки хвостов молекул фосфолипидов не ограничены в своем движении и ответственны за текучестьмембраны. (Bretscher, 1985 )91Рис. 4.9. Поперечное сечение мембраны, иллюстрирующее модель мозаичного бислоя. Показанызаряженные гидрофильные аминокислотные боковые группы белков, выступающие в водную фазу, инезаряженные гидрофобные группы, контактирующие с липидной фазой бислоя.
(Singer, Nicolson, I972.)о белковой природе наблюдаемых глобулярных образований.Жидкостно-мозаичная модель бислоя, по-видимому, дает наиболееадекватное представление о структурной организации поверхностной мембраныи многих внутриклеточных мембран. В ней предполагается наличие большихучастков, состоящих только из липидов, без всяких включений (чему имеютсядостаточно веские доказательства), а также белков, ответственных за многиеметаболические функции мембран.
Интегральные белки, обнаруженные вплазматической мембране (рис. 4-8), играют очень важную роль: они участвуютв образовании ионных каналов, играют роль мембранных насосов ипереносчиков различных веществ и являются ре-цепторными и распознающимимолекулами.9290 :: 91 :: 92 :: Содержание92 :: 93 :: Содержание4.2.3. Субъединичная модельДля некоторых мембран, например мембран митохондрий и зрительныхрецепторных клеток, модель мозаичного бислоя, по-видимому, в чистом виденепригодна: липидный бислой в них в основном заменяется регулярнорасположеннымимакро-молекулярнымиединицами.Взрительныхрецепторных клетках эти единицы представлены молекулами зрительногопигмента, состоящего преимущественно из белка.
В митохондриальныхмембранах, для которых характерны очень высокое отношение белок-липид ичетко выраженная ферментативная активность, субъединицами, по-видимому,являются комплексы молекул ферментов. По данным электронной микроскопиив мембранах имеются регулярно расположенные глобулярные частицы (рис. 411). При фракционировании митохондриальных мембран высвобождаетсянесколько компонентов, обладающих специфическими ферментативнымиактивностями. После их воссоединения наблюдается восстановление ихспособности осуществлять всю последовательность реакций, характерных дляинтактной мембраны. С другой стороны, смесь, в которой присутствуют вседиссоциированные компоненты мембраны, не можетРис. 4.10.
Электронные микрофотографиипрепаратов, полученных методом замораживания-травления, которые подтверждают справедливостьмозаичной модели мембраны. Скол проходит по середине бислоя, при этом выступают погруженные вмембрану частицы диаметром от 5 до 8 им. Б присутствии протеолитических ферментов эти частицыпостепенно утрачиваются. По-видимому, они представляют собой глобулярные белки, погруженные влипидную фазу мембраны.
А. Контроль. Б. Расщеплено 45% частиц. В. Расщеплено 70% частиц.Увеличение 55000. (С любезного разрешения L.H. Engstrom, D. Branton.)92Pиc. 4.11. Электронная микрофотография негативно контрастированного фрагмента внутреннеймитохондриалъной мембраны, выделенной из сердечной мышцы млекопитающего. Увеличение 152000.Обратите внимание на упорядоченное расположение грибовидных выступов. (С любезного разрешенияВ. Tandler.)осуществлять эту последовательность реакций.
Таким образом, ясно, что важнойфункцией некоторых мембран является обеспечение высокоупорядоченногораспределения ферментных субъединиц, катализирующих последовательныереакции.По-видимому, можно сказать, что на одном конце спектра разных типовмембран находится метаболически инертная миелиновая оболочка (рис. 4-12)некоторых нервных клеток, липидной бислой которой, как правило, не имеетвключений, а на другом конце спектра располагается высокоактивная вметаболическом отношении митохондриальная мембрана, почти целикомсостоящаяизрегулярнорасположенныхферментныхсубъединиц.Промежуточное положение между этими крайними случаями занимаютповерхностная мембрана и большинство внутриклеточных мембран, в которыхрегулярность бислоя часто нарушается включением интегральных белков. Такимобразом, базовая модель бислойной структуры с интегральными белкамидолжна быть модифицирована для каждого типа мембран в соответствии с ихфункциональной специализацией.Рис.
4.12. Электронная микрофотография миелиновой оболочки нервного волокна; поперечный срез.Оболочка образуется при многократном напластовании поверхностной мембраны шванновской клетки,спирально обматывающей нервное волокно. Увеличение 75000. (Peters, Vaughn, 1970.)9392 :: 93 :: Содержание94 :: Содержание4.3. Физические основыпроницаемости мембран4.3.1. ДиффузияЧтобы иметь возможность со знанием дела обсуждать механизмы переносавеществ через мембрану, необходимо рассмотреть физические аспектыперемещения растворенных веществ и растворителя в растворах и черезполупроницаемые мембраны.
Это перемещение рассматривается в рамкахдиффузионнойконцепции .Из-заслучайноготепловогодвижениясуспендированных или растворенных молекул они постепенно распределяютсяравномерно по всему доступному объему, диффундируя из области с высокойконцентрацией в область с низкой.
Диффузия-очень медленный процесс.Молекулы кристалла сульфата меди, растворяющегося в воде, диффундируюттак медленно, что для равномерного окрашивания 1 л неперемешиваемогораствора необходимо несколько суток. Однако на микроскопическом уровне,т.е. на уровне функционирующей клетки, время диффузии невелико - внекоторых случаях оно составляет по оценкам доли миллисекунды (10-3 с).Скорость диффузии растворенного вещества можно определить с помощьюуравнения диффузии Фикагде dQs/dt-скорость диффузии (т.е. количество вещества S, диффундирующего заединицу времени), Ds - коэффициент диффузии, А - площадь сечения, черезкоторую диффундирует вещество, dCs/dx- концентрационный градиент (т.
е.изменение концентрации с расстоянием). Чрезвычайно важной величиной здесьdCsявляется градиент, потому что он определяет скорость, с которойdxвещество диффундирует вдоль градиента. Ds зависит от природы имолекулярной массы вещества и растворителя, которым в большинствефизиологических систем является вода.9494 :: Содержание94 :: 95 :: Содержание4.3.2. Трансмембранный потокЕсли растворенное вещество находится по обе стороны проницаемой мембраны,то в каждом из направлений будут наблюдаться однонаправленные потоки (рис.4 .
1 3 , А). Однонаправленный поток можно представить как количестворастворенного вещества, которое пересекает единицу площади мембраныкаждую секунду в данном направлении,Рис. 4.13. Перенос вещества через мембрану. А. Однонаправленные потокимежду отсеками I и II. Б. Результирующий поток.где J - однонаправленный поток через единицу площади мембраны, аdQsdtколичество растворенного вещества, пересекающего единицу площадимембраны за единицу времени (моль·см-2с-1) в рассматриваемом направлении.Будем считать, что поток в одном направлении (скажем, из клетки) не зависитот потока в противоположном направлении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
