Химическая энциклопедия - мембраны биологические

(от лат. membrana-кожица, перепонка), сложные высокоорганизованные надмоле-кулярные структуры, ограничивающие клетки (клеточные, или плазматич., мембраны) и внутриклеточные органоиды -митохондрии, хлоропласты, лизосомы и др. Представляют собой пленки толщиной 5-10 нм, состоящие гл. обр. из белков и липидов. Отношение липиды: белки (по массе) колеблется от 4:1 (мембрана миелина) до 1:3 (внутр. мембрана митохондрий). М. б. содержат также углеводы (до 10% от сухого в-ва по массе), к-рые, как правило, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов. В нек-рых специали-зир. М. б. в заметных кол-вах могут присутствовать также хиноны (напр., убихиноны), каротиноиды, ретиноиды (рети-нол, ретиналь и др.), токоферолы, долихолы (содержат 16-20 пренильных остатков, из к-рых концевой, несущий группу ОН, полностью насыщен) и порфирины. Ок. 20% всей массы мембраны составляет прочно связанная вода. С мембранами связываются также катионы, преим. Са ²⁺ и Mg²⁺, входящие в хелатные комплексы.

Важнейшая ф-ция М. б.-регуляция обмена в-в между клеткой и средой, а также между разл. отсеками (компарт-ментами) внутри самой клетки.

Липиды мембран. Осн. липидные компоненты М. б.-фос-фолипиды, гликолипиды и стерины. Каждая группа этих липидов представлена большим числом разнообразных соединений. Так, в мембране эритроцитов человека содержится не менее 20 разл. представителей осн. фосфолипида этой мембраны фосфатидилхолина; в целом же в мембране эритроцитов идентифицировано ок. 200 разл. липидов.

В клетках млекопитающих плазматич. мембраны обогащены холестерином и гликосфииголипидами, тогда как мембраны органоидов содержат эти липиды в малых ко-лвах. Наиб. распространенные липиды, имеющие цвиттер-ионную структуру, в большинстве мембран клеток млекопитающих-фосфатидилхолин и сфингомиелин (в митохондри-альных мембранах фосфатидилэтаноламин). Дифосфати-дилглицерин в значит. кол-вах присутствует только в мембранах митохондрий (в осн. в их внутр. мембране). В плазматич. мембранах содержание фосфатидилсерина обычно больше, чем фосфатидилинозита (фосфоинозитида), для внутриклеточных мембран характерно обратное соотношение. В мембранах миелина широко представлены цереб-розиды. Др. плазматич. мембраны содержат, как правило, более сложные гликолипиды, такие, напр., как ганг-лиозиды. Фосфатидилэтаноламин в мембранах миелина и тромбоцитов находится преим. в плазмалогеновой форме.

Мембраны клеток высших растений и дрожжей по ли-пидному составу во многом сходны с соответствующими мембранами клеток млекопитающих. Однако в них совсем нет сфингомиелина, а фосфатидилсерин присутствует лишь в следовых кол-вах. Главные стерины мембран растит. клеток ситостерин и стигмастерин, мембран грибов и дрожжей эргостерин и зимостерин. Мембраны хлороплас-тов фотосинтезирующих растений и синезеленых водорослей близки по своему липидному составу и содержат моно-и дигалактозилдиацилглицерины, 6-сульфохиновозилдиа-цилглицерин и фосфатидилглицерин.

Мембраны бактерий, как правило, имеют более простой липидный состав, чем мембраны растит. и животных клеток. Все бактерии, за исключением микоплазм, не содержат стеринов. Фосфолипиды мембран грамположит. бактерий представлены гл. обр. фосфатидилглицерином и его ами-ноациальными производными, а также дифосфатидилгли-церином. В небольшом кол-ве в этих мембранах нередко встречается фосфатидилинозит. У грамотрицат. микроорганизмов в составе мембранных фосфолипидов преобладает Фосфатидилэтаноламин. Фосфатидилхолин в бактериальных мембранах либо совсем не содержится, либо присутствует в малых кол-вах. Содержание фосфатидилсерина в этих мембранах обычно также незначительно. Широко представлены в бактериальных мембранах разл. гликозил-диацилглицерины.

Осн. компоненты мембран оболочечных вирусов (вирус гриппа, лейковирусы, вирус стоматита), как и плазматич. мембран клеток животных,-фосфатидилхолин, сфингомие-лин, Фосфатидилэтаноламин и холестерин.

Липидный состав клеточных мембран изменчив. В меньшей степени это проявляется в животных клетках, находящихся в условиях стабильной внутр. среды. Однако и в этом случае можно модифицировать состав липидов в нек-рых мембранах, меняя пищ. рацион. Липидный состав мембран растений заметно изменяется в зависимости от освещенности, т-ры и рН. Еще более изменчив состав бактериальных мембран. Он варьирует не только в зависимости от штамма, но и в пределах одного и того же штамма, а также от условий культивирования и фазы роста. У вирусов, имеющих липопротеиновую оболочку, липидный состав мембран также не постоянен и определяется составом липидов клетки-хозяина.

Липиды-осн. строит. материал, из к-рого формируются клеточные мембраны. Сложность, многообразие и изменчивость липидного состава мембран позволяет предположить, что они участвуют также в регуляции важнейших мембранных процессов.

Мембранные белки. Мол. масса мембранных белков обычно варьирует в пределах от 10 тыс. до 240 тыс. Они значительно различаются между собой по прочности связывания с мембраной. Белки, наз. периферич. или поверхностными, сравнительно слабо связаны с мембраной и отделяются от нее в мягких условиях, напр. в р-рах, имеющих высокую ионную силу или содержащих комплексоны. Намного прочнее связаны с мембраной т. наз. интегральные, или внутримембранные, белки (см. рис.). Чтобы их выделить, требуется, как правило, предварительно разрушить мембрану с помощью ПАВ или орг. р-рителей.

Периферич. белки по своим св-вам мало отличаются от обычных водорастворимых белков. Характерная особенность интегральных белков плохая р-римость в воде и склонность к образованию ассоциатов. Их удается перевести в р-р при добавлении ПАВ, иногда с помощью орг. р-рителей (напр., 2-хлорэтанола, бутанола, ДМФА).

Особенность интегральных белков наличие в их поли-пептидной цепи довольно протяженных участков с преобладающим содержанием неполярных аминокислот. Как правило, эти участки имеют конформацию a-спирали, на наружной стороне к-рой расположены боковые углеводородные фрагменты аминокислотных остатков, в результате чего вся спираль, в целом, приобретает гидрофобный характер. Доля a-спиральных участков в мембранных белках довольно велика (составляет 30-50%), остальная часть полипептид-ной цепи находится преим. в форме неупорядоченного клубка. Участков с b-структурой, как правило, мало.

Схема мозаичной модели клеточной мембраны: 1 -по лярная головка молекулы липида; 2 углеводородная цепь молекулы липида; 3 интегральный белок.

Гидрофобные a-спиральные участки интегральных белков обычно содержат от 17 до 26 аминокислотных остатков, что вполне достаточно, чтобы полипептидная цепь однократно пересекла М. б. В белках, к-рые пронизывают М. б. насквозь, такие гидрофобные тяжи соединяют между собой полярные области белковой молекулы, находящиеся на противоположных сторонах мембраны. У белков, расположенных только на одной стороне М. б. и погруженных в нее лишь частично, a-спирали служат своеобразным гидрофобным "якорем", прочно удерживающим белок в мембране. В нек-рых случаях "заякоривание" белков в М. б. происходит при помощи ковалентно связанных с ними липидов.

Типичные примеры белков, к-рые удерживаются в М. б. благодаря гидрофобному a-спиральному участку полипеп-тидной цепи,-цитохром b5 -редуктаза и цитохром b5. К белкам, полипептидная цепь к-рых однократно пересекает М. б., относятся, напр., антигены тканевой совместимости и мембраносвязанные иммуноглобулины, к белкам, пересекающим М. б. более одного раза,-бактериородопсин. Нередко мембранные белки представляют собой сложные комплексы, состоящие из неск. субъединиц (напр., цитохром с-ок-сидаза состоит из 12 субъединиц).

Мембранные белки наряду с липидами играют важную структурную роль, кроме этого они ответственны за выполнение подавляющего большинства специализир. ф-ций отдельных мембран. Они служат катализаторами протекающих в мембранах и на их пов-сти р-ций (см., напр., Дыхание), участвуют в рецепции гормональных и антигенных сигналов и т. п. (см., напр., Аденилатциклаза), выполняют транспортные ф-ции, обеспечивают пиноцитоз (захват клеточной пов-стью и поглощение клеткой жидкости), хемотаксис (перемещение клетки, обусловленное градиентом концентраций к.-л. в-ва в среде) и т. п. Мн. из периферич. белков-компоненты цитоскелета (совокупность филаментов и микротрубочек цитоплазмы) и связанных с ним сократит. элементов, к-рые обусловливают форму клетки и ее движение.

Ферментативная активность присуща мн. мембраносвя-занным белкам, причем мембраны разл. клеток и отдельных органоидов имеют свой характерный набор ферментов. Как правило, ферментные белки располагаются в М. б. в определенном порядке, к-рый делает возможным последовательное протекание р-ций метаболии, цикла.

Молекулярная организация мембран. Структурная основа М. б.-липидный бислой. В продольной плоскости М. б. представляет собой сложную мозаику из разнообразных липидов и белков, причем их распределение по пов-сти М. б. неоднородно. В нек-рых М. б. имеются обширные участки липидно-го бислоя, практически свободные от белков (напр., в эритроцитах белки занимают только 35% площади пов-сти всей М. б., в микросомах-23%). При высоком содержании белка в М. б. липиды не образуют сплошной бислой, а располагаются в виде отдельных вкраплений между белковыми молекулами. Сам липидный бислой в мембране может иметь доменную структуру в результате, напр., сосуществования несмешиваемых липидных фаз, находящихся в двух разл. физ. состояниях гелевом и жидкокристаллическом. Часть липидов в М. б. может находиться также в составе т. наз. небислойных фаз (мицеллярная фаза, гексагон. фаза и др.). Ассоциации липидов в М. б. способствует также их взаимод. с многозарядными катионами (Са ^{2 +} , Mg²⁺ и др.), периферич. белками, нек-рыми мембраноактивными в-вами (напр., гормонами).

Специфич. взаимод. между отдельными белками приводят к тому, что в М. б. образуются белковые ассоциаты, или ансамбли, к-рые по составу и св-вам отличаются от окружающих участков мембраны и часто окружены липидами определенного типа. Иногда липопротеиновые участки М. б., содержащие характерный набор белков и липидов, удается выделить при фрагментации мембран. Образование ассоциатов белков может происходить также в результате их специфич. связывания на пов-сти М. б. с нек-рыми водорастворимыми белками (напр., с антителами, лектинами) или при фазовом переходе липидов в мембране (обычно белки скапливаются там, где липиды продолжают оставаться в жидкокристаллич. состоянии).

Неоднородность М. б. связана также со структурными и функцион. различиями наружной и внутр. сторон мембраны, обусловленными неодинаковым распределением отдельных компонентов (белков, липидов, углеводов и др.). Характерный пример асимметрич. распределения липидов плаз-матич. мембрана эритроцитов. Холинсодержащие фосфоли-пиды (фосфатидилхолин и сфингомиелин) преобладают у них на наружной стороне мембраны, а фосфатидилэтанол-амин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозит связаны пре-им. с ее внутр. пов-стью, обращенной в сторону цитоплазмы. Сходное распределение фосфолипидов обнаружено в плазматич. мембранах др. животных клеток.