свойства и функции наружной плазматической мембраны

Строение, свойства и функции наружной плазматической мембраны.
Наружная плазматическая мембрана является обязательно составной частью любой клетки.
Она служит барьером, который обособляет содержимое клетки от внешней среды и обеспечивает
ее целостность. Она обеспечивает взаимодействие клетки с другими клетками организма. Особенности химического состава, строения и функционирования наружной плазматической мембраны
создают для клетки возможность существования как единой целостной структуры, открытой системы, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Целостность
самой мембраны поддерживается структурными компонентами цитоплазмы клетки.
Основные понятия.
Клеточная мембрана
Липиды
Липидные слои
Интегральные белки
Поверхностные белки
Глицерофосфолипиды
Межклеточные контакты
Жидкостно-мозаичная модель
Асимметрия мембраны
Опосредованный рецепторами эндоцитоз
Рецепторный белок
Амфипатичные молекулы
Избирательная проницаемость
Самосборка мембраны
Пассивный транспорт
Активный транспорт
Диффузия
Облегченная диффузия
Эндоцитоз
Пиноцитоз
Фагоцитоз
Липосома
Сигнальный путь
Транспортный белок
Экзоцитоз
Трансцитоз
Ионный канал
Осмос
Микроворсинки
Гликокаликс
Белок-переносчик
Адгезия
Холестерин
Амфифильность
Лиганд
1. Химический состав, строение и свойства наружной плазматической мембраны.
1.1. Липиды и углеводы мембраны.
Основу любой клеточной мембраны составляет двойной липидный слой. Липидные слои не
являются плоскими, они всегда изгибаются, замыкаясь сами на себя, устраняя свободные края и
образуя полые структуры – пузырьки, вакуоли, вытянутые мешкообразные структуры и т.п. Эти
особенности строения мембраны обусловлены особенностями строения молекул липидов и их
взаимодействием с полярными молекулами воды.
Липиды представляют собой обширную группу химических соединений, которая объединяет
разные по строению вещества, но обладающие одним общим свойством – гидрофобностью. Характерным примером гидрофобной молекулы является триацилглицерин, или триацилглицерид –
производное трехатомного спирта глицерина и трех жирных кислот (рис.1).
Рис.1 Триацилглицерин.
1 – остаток глицерина
2-4 – остатки трех насыщенных жирных кислот
Молекулы триацилглицерола не растворяются в воде; молекулы воды, взаимодействуя друг с
другом многочисленными водородными связями, оттесняют молекулы липидов и те оказываются
2
вместе друг с другом, формируя скопление гидрофобных молекул, окруженное молекулами воды.
Создается впечатление, что они взаимодействуют друг с другом особыми – гидрофобными – связями. Таких связей не существует в природе; этим термином обозначают поведение липидов в
окружении молекул воды: полярные молекулы воды, взаимодействуя друг с другом, ''подталкивают'' неполярные молекулы друг к другу.
В группу липидов включают следующие химические соединения:
1) Жирные кислоты: насыщенные (олеиновая, пальмитолеиновая) и ненасыщенные, содержащие
двойные связи (линолевая, арахидоновая).
2) Мыла - соли жирных кислот
3) Триацилглицерины, или нейтральные жиры (рис.1), которые являются важными компонентами
пищи челевека. В состав природных жиров обычно входят жирные кислоты с четным числом атомов углерода.
4) Фосфолипиды – липиды, содержащие не только жирные кислотиы и спирт, но и остаток фосфорной кислоты, с которым часто связаны азотсодержащие соединения и моносахариды.
а) Фосфоглицериды – похожие на триацилглицерины вещества, у которых вместо одной жирной
кислоты расположен остаток фосфорной кислоты, связанный с остатком низкомолекулярного химического соединения, таким как этаноламин, холин, серин, инозит и т.п. (рис.2а)
Рис.2. Фосфатидилхолин (лецитин)–
один из фосфолипидов мембраны.
1 – гидрофобные остатки жирных кислот
2 – полярная гидрофильная химическая
группировка, способная взаимодействовать с полярными молекулами воды.
Обычно одна из жирных кислот фосфоглицеридов является насыщенной, а другая – ненасыщенной, то есть содержащей двойные связи.
б) сфингофосфолипиды – производные многоатомного аминоспирта сфингозина, с которым
связаны остатки фосфорной кислоты и жирной кислот, а также остатки холина в сфингомиелине
и галактозы или глюкозы - в цереброзиде. Миелин оболочек, окружающих и изолирующих многие
нервные волокна, состоит, в основном, из сфингомиелина.
Молекулы фосфолипидов имеют две группы участков: гидрофобные и гидрофильные. Вещества, обладающие одновременно и гидрофобными, и гидрофильными химическими группами,
называются амфипатическими, а свойство молекулы иметь в своем составе как гидрофильные, так
и гидрофобные группы, называется амфифильностью. При описании строения мембраны фосфоглицериды принято изображать в виде полярной ''головки'' и двух неполярных ''хвостов'' (рис.2б).
Полярные ''головки'' фосфоглицеридов взаимодействуют с молекулами воды, а неполярные ''хвосты'' подталкиваются молекулами воды друг к другу. В результате этого фосфолипиды располагаются в два слоя, в которых их полярные головки обращены к водной среде – межклеточной
жидкости и цитоплазме, а неполярные хвосты оттесняются в центральную область мембраны
(рис.3, 4).
1
6
7
3
5
2
4
Рис.3. Подвижность липидов наружной плазматической мембраны.
3
1 – перемещение вдоль слоя
2 – вращение вокруг своей оси
3 – колебательные движения гидрофобных участков
4 – полярные молекулы воды
5 – двойной липидный слой
6 – полярная головка фосфолипида
7 – гидрофобные хвосты фосфолипида
Липиды одного слоя обнаруживают высокую подвижность (рис.3): их гидрофобные участки
совершают колебательные движения, а сами фосфолипиды очень быстро вращаются вокруг своей
оси и перемещаются вдоль слоя, в котором они находятся. Благодаря этому липидные слои ведут
себя как густая маслянистая жидкость, то есть обладают определенной текучестью. Чрезвычайно
редко липиды переходят из слоя в слой.
Межклеточная среда
2
2
3
4
5
3
5
1
6
11
10
12
9
7
8
13
7
8
14
цитоплазма
Рис.4. Схема строения наружной плазматической мембраны животной клетки.
1 – интегральный белок наружного слоя
2 – олигосахарид, ковалентно связанный с белком
3 – периферический белок наружного слоя
4 – интегральный белок, пронизывающий мембрану насквозь
5 – олигосахарид, ковалентно связанный с липидом
6 - полярная головка фосфолипида
7 – периферический белок внутреннего слоя
8 – интегральный белок внутреннего слоя мембраны
9 – гидрофобные хвосты фосфолипида
10 – двойной липидный слой
11 – наружный липидный слой
12 – внутренний липидный слой
13 – холестерин
14 – молекулы воды
5)Гликолипиды – производные сфингозина, с которым связана жирная кислота и разветвленные
олигосахариды. В эту группу входит сиаловая кислота и химические соединения, обусловливающие принадлежность человека к той или иной группе крови системы АВО. Гликолипиды всегда
располагаются во внешнем слое плазматической мембраны и их углеводная часть находится во
внешней для клетки среде (рис.4).
6) Стероиды – производные фенантрена,с которым соединено циклопентановое кольцо. Эта группа включает в себя холестерин (рис.5), желчные кислоты, гормоны коры надпочечников,половые
гормоны, витамины группы D и другие важные для организма вещества.
4
Рис.5. Холестерин.
1 – гидрофильный участок молекулы
2 – гидрофобный участок молекулы
Холестерин является одним из главных компонентов плазматической мембраны (рис.3,6).
Гидрофильная группа ОН- холестерина взаимодействует с полярной головкой мембранного фосфолипида , а его гидрофобная углеводородная цепь располагается между гидрофобными хвостами
фосфолипидов. Холестерин скрепляет фосфолипидный слой и препятствует плотной упаковке
гидрофобных хвостов, повышая тем самым текучесть мембраны.
Рис.6. Взаимодействие холестерина с фосфолипидами мембраны.
1 – гидрофильный участок фосфолипида
2 – остаток ненасыщенной жирной кислоты
3 – гидрофобный участок холестерина
4 – гидрофильный участок холестерина
5 – остаток насыщенной жирной кислоты
Для наружной мембраны всех организмов характерна асимметрия химического состава липидов. Так, гликолипиды всегда расположены во внешнем слое; здесь же расположена большая
часть сфингомиелина и фосфатидилхолина. Фосфатидилсерин, несущий суммарный отрицательный заряд, расположен, в основном, во внутреннем слое мембраны; здесь же находится фосфатидилинозитол, участвующий в трансмембранной передачи внешнего сигнала в цитоплазму клетки.
Асимметричное расположение разных липидов в каждом слое мембраны очень важно для функции клетки и поддерживается специальными механизмами, в которых участвуют транспортные
белки и ферменты.
Двойной липидный слой подобен двумерной жидкости, в которой молекулы липидов перемещаются в пределах своего слоя. Липидный бислой обычно устраняет свободные края, замыкаясь сам на себя. По этой причине двойные липидные слои способны спонтанно формироваться,
самопроизвольно восстанавливаться при повреждениях, сливаться при тесном контакте. Благодаря
такой способности липидных слоев происходит слияние клеток, образование и слияние транспортных пузырьков при эндо- и пиноцитозе.
Важнейшим свойством липидного бислоя является текучесть, вязкость. Текучесть двойного
липидного слоя характеризуется следующим образом:
а) текучесть повышается при увеличении числа двойных связей в жирных кислотах мембранных
липидов: в месте расположения двойной связи жирная кислота формирует излом, что препятствует плотной упаковке молекул
б) текучесть возрастает при уменьшении числа углеводородных групп (СН2) в жирных кислотах
в) при увеличении количества холестерина текучесть сначала уменьшается, а затем – увеличивается
г) текучесть меньше в гидрофильной области липидного бислоя и больше – в гидрофобной области
д) текучессть увеличивается при повышении температуры.
5
Липидные слои обладают достаточной прочностью и гибкостью, что особенно важно при изменении формы и при движении клеток, при делении тела клетки во время митоза и мейоза, при
формировании многих межклеточных контактов.
Липиды встраиваются в мембрану определенным образом, объединяются в группы, формируя
участки с различными свойствами и функциональными возможностями. Такие области могут возникать только в одном из двух слоев липидного бислоя. Поэтому мембрана содержит не однородный липидный бислой, а представляет собой своеобразную мозаику из областей разного состава
липидов с разными свойствами, позволяющим им выполнять разные функции.
Липиды мембраны служат средой, в которой расположены и функционируют мембранные
белки. Липиды мембраны участвуют в регуляции активности мембранных белков.
Липидные слои мембраны практически непроницаемы для сильно полярных молекул, которых много в цитоплазме. Это позволяет липидному бислою осуществлять свою главную функцию
– служить барьером, препятствующим утечке компонентов цитоплазмы.
Некоторые мембранные липиды участвуют в передаче сигналов: фосфатидилинозитол, эйкозаноиды – производные всех жирных кислот, содержащих 20 атомов углерода ( простагландины и
лейкотриены)
Эйкозаноиды участвуют в болевых и температурных реакциях, регуляции артериального давления, сокращения матки при родах, регуляции цикла сна и бодрствования, в воспалительных реакциях, в том числе при таких патологических процессах как ревматоидный артрит и псориаз.
Существуют заболевания, обусловленные нарушением образования мембранных липидов. Например, при болезни Тея-Сакса и Гоше нарушается обмен гликосфинголипидов и накопление продуктов их частичного расщепления вызывает тяжелое поражение нервной системы.
2.2. Белки мембран.
Большая часть мембранных белков погружена в липидный бислой почти перпендикулярно и
расположена в ней мозаично (рис.4). В мембране различают два типа белков:
а) периферические белки
б) интегральные белки.
Периферические белки расположены на поверхности мембраны и связаны с ней в основном
ионными связями. Эти белки легко отделяются от мембраны. У большинства клеток, за исключением клеток крови, снаружи расположен белок фибронектин. На внутренней поверхности большинства клеточных мембран, особенно в эритроцитах, расположен белок спектрин.
Интегральные белки или погружены в толщу липидного бислоя, или пронизывают его насквозь
(трансмембранные белки). Все интегральные белки можно выделить из мембраны, только разрушив ее. Интегральные белки амфипатичны: в их молекулах четко выделяются гидрофобные и гидрофильные участки. Гидрофобные участки расположены в толще мембраны, а гидрофильные –
обычно на внешней и внутренней поверхностях мембраны. Расположение мембранных белков соответствует максимально эффективному их взаимодействию с липидныи бислоем. Участки белков, расположенные в гидрофобной среде внутренней части мембраны, имеют вид -спирали.
Обычно N-конец белков находится во внешней для клетке среде, а С-конец – в цитоплазме (рис.7).
Многие интегральные белки перемещаются в плоскости мембраны. Это имеет место при группировке рецепторов, при эндоцитозе.
1
2
NH3+-
3
6
4
-COO5
Рис.7. Расположение участков интегрального белка в мембране.
1 - углевод
2 - N-концевой гидрофильный участок белка
3 –липидный бислой
4 – внутримембранный гидрофобный участок белка в виде -спирали
5 –С- концевой гидрофильный участок белка
Многие трансмембранные белки только один раз пересекают мембрану (рис.7). Многие из них
являются рецепторами. Они обычно имеют три участка:
а) наружный, или внеклеточный участок, который узнает сигнальную молекулу, например, молекулу гормона;
б) внутримембранный участок;
в) цитоплазматический, или внутриклеточный, участок, который содержит каталитический
центр; активация этого участка сопровождается его фосфорилированием.
Многие трансмембранные белки несколько раз пересекают мембрану. Большинство из них относится к рецепторам, участвующим в передаче сигнала с поверхности клетки внутрь клетки.
Многие из них 7 раз пересекают мембрану. К таким белкам относятся 2-адреноэргический рецептор, родопсин палочек сетчатки глаза. Важная особенность этих белков – использование специальных G-белков для трансмембранной передачи сигнала. G-белки используют в качестве источника энергии ГТФ.
Часть периферических и интегральных белков присутствуют в мембранах всех клеток и являются компонентом мембранного цитоскелета.
В многоклеточном организме разные стороны одной и той же клетки различаются по составу
мембранных белков. Клетки разных тканей также различаются по составу мембранных белков.
Для мембраны характерна асимметрия расположения белков: одни белки расположены в
наружном слое, а другие во внутреннем. Функциональный свойства мембран обусловлены белками, входящими в ее состав. По биологической роли мембранные белки разделяют на три группы:
а) ферменты
б) рецепторные белки – трансмембранные белки, которые способны специфически связываться
с информационными молекулами и передавать сигналы внутрь клетки
в) структурные белки.
Некоторые рецепторные белки и ферменты осуществляют перенос ионов, химических соединений или осуществляют трансмембранный перенос сигнала, приходящего к клетке.
Со многими белками ковалентно связаны небольшие разветвленные олигосахариды, участвующие в молекулярном узнавании и межклеточных взаимодействиях. Олигосахариды, связанные с
липидами и белками, являются основным компонентом примембранной области клетки, называемой гликокаликсом.
Со стороны цитоплазмы расположена другая примембранная область – кортикальный слой,
содержащий фибриллярные элементы цитоплазмы – микрофиламенты и микротрубочки, а также
вспомогательные белки, которые связывают эти структуры с наружной мембраной.
Высокая подвижность липидного бислоя и мозаичность расположения в нем белков дали
название модели, хорошо описывающей строение, свойства и функции мембраны – жидкостномозаичная модель (рис.8).
Рис.8. Мозаичное расположение белков в липидном
бислое мембраны.
1 – интегральный белок, пронизывающий мембрану
2 – липидный бислой
3 – интегральный белок наружного слоя
7
Липиды, белки и олигосахариды наружной мембраны придают ей ряд важных свойств:
эластичность
гибкость
упругость
способность к самосборке и росту
избирательная проницаемость.
асимметричность химического состава
полярность мембраны: имеются разноименные электрические заряды на разных сторонах
мембраны
- способность к молекулярному узнаванию химических соединений.
-
2. Основные функции наружной плазматической мембраны.
Основные функции наружной плазматической мембраны:
1) Обособление содержимого клетки от внешней среды
2) Избирательный транспорт веществ
3) Рецепция химических соединений и трансмембранная передача сигнала в клетку
4) Участие в поддержании формы клеток и их подвижности.
5) Взаимодействие с другими клетками.
2.1 Обособление содержимого клетки от внешней среды.
Эта функция обеспечивается, в основном, особенностями строения двойного липидного слоя
мембраны. Парадоксально, что основная функция в формировании и сохранении гидрофобного
липидного бислоя принадлежит полярным молекулам воды, которые, взаимодействуя друг с другом и полярными головками липидов, оттесняют гидрофобные хвосты липиды и те располагаются
вместе в толще мембраны. Гидрофобность липидов позволяет неполярным веществам легко проходить через мембрану, но не пропускает полярные молекулы, которые в большом количестве образуются в процессе обмена веществ в цитоплазме клетки и составляют основу ее процессов жизнедеятельности.
Благодаря свойствам мембраны в клетке присутствую вещества, отсутствующие во внешней
среде, в клетке концентрация многих ионов и веществ отличается от их концентрации снаружи
клетки.
2.2. Избирательный транспорт веществ.
Особенности химического состава и строения мембраны обеспечивают избирательную проницаемость ее по отношению к разным ионам и веществам. По отношению к некоторым из них она
всегда обладает достаточной проницаемостью, а по отношению к другим она практически всегда
непроницаема или становится проницаемой в определенных условиях.
Ионы и химические соединения могут проходить через мембрану самостоятельно или при
непосредственном участии мембранных белков. Некоторые из них проходят путем диффузии без
затраты энергии из области их высокой концентрации в область низкой концентрации, то есть по
градиенту концентрации. Другие ионы и химические соединения перемещаются против градиента
концентрации и с затратой энергии.
Гидрофобные и газообразные вещества легко проходят через мембрану путем простой диффузии без участия каких-либо переносчиков. Небольшие по размеру полярные молекулы воды тоже
относительно свободно проходят сквозь липидный бислой. В некоторых клетках, например, в эпителии почечных канальцев нефрона в мембрану встроен белок аквапорин, образующий крупного
размера поры для молекул воды.
Для большинства ионов и полярных веществ мембрана непроницаема. Для перемещения их
через мембрану служат транспортные белки, которые осуществляют избирательный перенос их
8
через мембрану. Избирательность обеспечивается молекулярным узнаванием и специфичность
связывания транспортного белка с переносимым веществом. Некоторые транспортные белки формируют в мембране каналы, которые открываются под действием изменяющегося электрического
поля или химического соединения, узнаваемого рецепторной частью канала. Другие транспортные
белки связываются с отдельными ионами или химическими соединениями и перемещают их через
мембрану. Причем при облегченной диффузии это происходит без затраты энергии, а при активном транспорте – с затратой энергии АТФ. В ряде случаев в переносе веществ участвуют небольшие специализированные участки мембраны с рецепторными белками; эти участки мембраны изменяют свою геометрию, превращаются в пузырьки, внутри которых расположены многочисленные молекулы переносимых веществ.
Различают следующие типы и виды транспорта веществ через плазматическую мембрану
(рис.9).
I. Пассивный транспорт – без затрат энергии:
1) осмос – процесс перемещения молекул растворителя, например, воды, через полупроницаемую мембрану ( пропускает молекулы растворителя, но не пропускает молекулы растворенного вещества) в сторону большей концентрации растворенного вещества;
2) диффузия – ионы или вещества перемещаются по градиенту концентрации
а) простая диффузия – без участия мембранных белков
б) диффузия через канал
с участием транспортных
в) облегченная диффузия
белков
II. Активный транспорт – с затратой энергии, обычно против градиента концентрации:
1) активный перенос – с участием отдельных молекул белков-переносчиков
2) транспорт в мембранной упаковке – вещества перемещаются в составе мембранного пузырька; участвуют ионы Са2+, специальные белки и микротрубочки:
а) эндоцитоз – перемещение веществ внутрь клетки:
- фагоцитоз – перемещение относительно крупных структур (бактерии, вирусы)
- пиноцитоз – перемещение капель жидкости с растворенными в ней веществами
- опосредованный рецепторами эндоцитоз – перемещение химических соединений, предварительно связавшихся с рецепторными белками в специальных участках мембраны
б) экзоцитоз – перемещение веществ из клетки наружу
в) трансцитоз – перемещение веществ транзитов через клетку с одной стороны клетки на
противоположную в составе мембранного пузырька .
Рис.9. Виды транспорта веществ
через наружную плазматическую
мембрану клетки.
1 – простая диффузия
2 – диффузия через канал
3 – облегченная диффузия
4 - активный перенос
5 – пиноцитоз
6 – фагоцитоз
7 – опосредованный
рецепторами эндоцитоз
8 - экзоцитоз
9 - трансцитоз
9
Осмос – основной способ поступления воды в клетки и организм. Основной силой, обусловливающей перемещение воды через наружную мембрану, является осмотическое давление. Оно
зависит от концентрации растворенных в воде ионов и молекул, которые сами не могут пройти
через мембрану, так как она для них непроницаема, но формируют силу, заставляющую воду перемещаться в сторону большей концентрации растворенных веществ. Чем больше концентрация
растворенных ионов и веществ, тем выше осмотическое давление раствора.
Цитоплазма клеток и межклеточная среда имеют одинаковую суммарную концентрацию
разных ионов и химических соединений, которая соответствует 0,9% раствору NaCl. Поэтому
0,9% раствор NaCl по отношению к цитоплазме клеток и межклеточной жидкости является изоосмотическим. Растворы NaCl большей и меньшей концентраций являются, соответственно, гипер- и гипоосмотическим. Клетки крови и других тканей, помещенные в 0,9% раствор NaCl, не
будут изменять своего объема, поэтому этот раствор по отношению к клеткам является изотоническим (рис.10). Более того, поскольку этот раствор по химическому составу близок к естественной для клетки тканевой жидкости и клетки продолжительное время могут существовать в этом
растворе, он называется также физиологическим. Если клетки поместить в раствор NaCl меньшей
концентрации, то молекулы воды устремятся в клетки и те разбухнут. Такой раствор называется
гипотоническим по отношению к клетке. Если клетки поместить в раствор NaCl меньшей концентрации, то молекулы воды устремятся из клеток наружу и те уменьшатся в объеме. Такой раствор
называется гипертоническим по отношению к клетке.
А
Б
В
Г
Н2О
Н2О
0,9% NaCl
0,3% NaCl
Н2О
3% NaCl
мочевина
0,9% мочевины
Рис.10. Изменение объема эритроцитов млекопитающих в растворах разной концентрации.
А – изотонический раствор NaCl
Б - гипотонический раствор NaCl
В - гипертонический раствор NaCl
Г - изоосмотический, но гипотонический раствор мочевины
Пунктирной линией обозначен размер клетки в изотоническом растворе. Стрелками показано
направление перемещения молекул воды и мочевины.
Тоничность раствора зависит не только от его концентрации, но и от проницаемости наружной
мембраны для растворенного вещества. Концентрация мочевины в крови человека и его клетках
составляет около 0,01%. Наружная мембрана клетки проницаема для мочевины, поэтому в 0,9%
растворе мочевины ее молекулы путем диффузии перемещаются в клетку. В результате этого концентрация веществ в клетке становится выше первоначальной, а снаружи – ниже ее. Окружающий
клетку раствор по отношению к содержимому клетки становится гипоосмотическим, поэтому вода
устремляется в клетку и та набухает как в гипотоническом растворе. Таким образом, изотонический по отношению к цитоплазме клетки 0,9% раствор мочевины является гипотоническим по отношению к самой клетке.
Путем осмоса вода проникает в ткани при воспалении, которое сопровождается разрушением
клеток, выходом содержащихся в клетке веществ наружу и развитием отека.
Ионы и малые молекулы проходят через клетку разными способами (рис.11).
10
Рис. 11. Основные способы переноса
ионов и малых молекул химических соединений через наружную плазматическую мембрану.
1 – простая диффузия
2 – диффузия через открытый канал
3 – облегченная диффузия
4 – активный перенос
5 – каналообразующие белки
6 и 7 – белки-переносчики
8 – два липидных слоя мембраны
9 – градиент концентрации транспортируемых ионов и химических соединений: снаружи клетки их больше, чем в цитоплазме.
Путем простой диффузии в клетку проникают половые гормоны и гормон тироксин, аминокислоты с гидрофобными радикалами, моносахариды. При возбуждении нервной клетки в ней открываются электрочувствительные каналы для ионов Na+ и К+ (рис.12). Ионы Na+ путем диффузии
перемещаются в клетку, а ионы К+ - из клетки. Происходит локальное изменение электрического
потенциала наружной мембраны, называемое нервным импульсом, или потенциалом действия,
распространяющимся по мембране аксона.
Рис.12. Перемещение ионов Na+ и К+ через ионные
каналы путем диффузии в момент возбуждения и посредством активного переноса в период восстановления.
1 – каналообразующий белок для ионов Na+
2 – каналообразующий белок для тонов К+
3 – фермент АТФ-аза
4 – двойной липидный слой мембраны
Путем облегченной диффузии в клетку проникает глюкоза и некоторые аминокислоты. Особенностью процесса облегченной диффузии является то, что максимальная скорость транспорта
вещества ограничена количеством молекул белка–переносчика.
Путем активного переноса из клеток слизистой оболочки желудка в полость желудка перемещаются ионы Н+, необходимые для создания в ней кислой среды. В нервных и мышечных клетках
путем активного переноса перемещаются ионы Na+ и К+, ранее пересекшие ее через канальные
белки (рис.11).
Фагоцитоз имеет место при поглощении бактерий лейкоцитами, при проникновении вирусов и
некоторых бактерий и простейших в клетки человека. Путем пиноцитоза клетки эпителия поглощают небольшие белки в тонком кишечнике и извитых канальцах нефрона в почках.
Путем экзоцитоза покидают клетку высокомолекулярные химические соединения, которые
синтезируются в специализированных клетках для нужд определенного органа или всего организма. Это гормоны белковой природы в клетках желез внутренней секреции, пищеварительные ферменты в секреторных клетках желудка, кишечника и поджелудочной железы.
Путем трансцитоза в клетках кровеносных капилляров перемещаются вещества из крови в тканевую жидкость.
Важнейшим способом поступления веществ в клетку является опосредованный рецепторами
эндоцитоз (рис.13). Сначала транспортируемые вещества избирательно связываются со своими
рецепторами. Избирательно связывающееся с рецептором вещество называется лигандом этого
11
рецептора. Затем участок мембраны, содержащий рецепторы, погружается внутрь клетки и отделяется от мембраны в виде пузырька с транспортируемым веществом. В этом процессе принимаюи участие ионы Са2+, АТФ, специальные белки и микротрубочки. Затем с пузырьком сливается
лизосома, ферменты которой разрушают комплекс лиганд-рецептор, после чего рецепторы возвращаются в наружную мембрану. С помощью такого механизма в клетки поступают белки,
транспортирующие с кровью ионы железа и холестерин; с помощью такого механизма происходит
инактивация рецепторов, предотвращающая излишнюю активацию рецептора сигнальной молекулой, например, молекулой инсулина.
Рис.13. Опосредованный рецепторами эндоцитоз.
1 – поглощаемое клеткой химическое соединение
2 - рецепторный белок
3 – связанные с мембраной цитоплазматические белки, участвующие в эндоцитозе
4 – участок наружной плазматической мембраны, в области которого происходит эндоцитоз,
опосредованный рецепторами.
Существуют заболевания, связанные с нарушением транспорта через наружную мембрану тех
или иных ионов или веществ. В одних случаях это связано с нарушением строения транспортных
или рецепторных белков, в других – с недостаточным количеством этих белков. Приведем несколько примеров.
1) Злокачественная холестеринемия связана с отсутствием в мембране рецепторов для связывания транспортного белка крови, переносящего холестерин. Холестерин не поступает в
клетки, в больших количествах накапливается в крови и откладывается в кровеносных сосудах, что ведет к быстро прогрессирующей гипертонии и смерти людей в юношеском возрасте.
2) Некоторые формы диабета обусловлены недостаточным количеством рецепторов инсулина, другие – с нарушением процесса возвращения их в мембрану после поглощения гормон-рецепторного комплекса..
3) Муковисцидоз обусловлен нарушением транспорта ионов хлора через наружную мембрану.
Транспортные белки мембраны являются мишенью для лекарственных средств. Так, например
многие анестетики действуют на натриевые каналы нервных клеток. Некоторые антибактериальные лекарственные средства формируют в мембране болезнетворных бактерий каналы, резко повышающие проницаемость мембраны бактерий для ионов, что ведет к их гибели.
Одним из способов направленной, или адресной, доставки традиционных лекарственных средств
в клетки и ткани являются липосомы - пузырьки из липидного бислоя, внутри которых находятся
молекулы лекарственного вещества. Будучи соединенными с антителами или лигандами мембранных рецепторов, они задерживаются в соответствующих тканях и сливаются с наружной
мембраной их клеток, в результате чего лекарство оказывается в ткани и ее клетках.
В генной терапии используются некоторые способы транспорта веществ через мембрану для доставки в клетки искусственных генетических конструкций:
- в составе измененных вирусов, избирательно поглощаемых специализированными клетками
путем эндоцитоза;
- путем соединения с лигандами мембранных рецепторов.
12
2.3. Рецепция химических соединений и трансмембранная передачи сигнала в клетку.
Важнейшей функцией плазматической мембраны является молекулярное узнавание, или рецепция, химических соединений, выполняющих сигнальную функцию. Благодаря этому осуществляется один из типов межклеточного взаимодействия, что характерно для многоклеточного
организма. Выступая в качестве сигнала, эти вещества несут клетке важную для нее информацию,
на которую она должна реагировать определенным образом. Несмотря на огромное многообразие
сигнальных молекул, рецепторных белков и процессов, которые они регулируют, существует всего несколько механизмов трансмембранной передачи информации.
1) Передача сигнала осуществляется комплексом, в состав которого входит рецепторный
белок, связывающий сигнальную молекулу, и белковый ионный канал (рис.14). Взаимодействие
сигнальной молекулы с рецепторным белком приводит к открыванию канала, после чего он начинает пропускать определенные ионы. Эти ионы перемещаются через мембрану путем диффузии:
без затраты энергии и по концентрационному градиенту. Такой механизм характерен для реагирования клеток на нейромедиаторы, например, на ацетилхолин, глицин, γ-аминомасляную кислоту.
Так, выделение ацетилхолина из окончания аксона возбужденного двигательного нейрона ведет к
открыванию неспецифических ионных каналов в мембране мышечных клеток. Движение ионов
Na+ и К+ через эти каналы сопровождается изменением электрического заряда мембраны, что в конечном итоге ведет к сокращению мышечной клетки.
1
А
2
Б
2
1
3
3
4
4
Рис.14. Трансмембранная передача сигнала с помощью рецептора, связанного с
ионным каналом .
А – неактивное состояние системы - закрытое состояние канала
Б – активное состояние системы - открытое состояние канала
1- медиатор
2 – ионы
3 – наружная плазматическая мембрана
4 – каналообразующий белок
2) В передаче сигнала участвуют мембранные белки, обладающие ферментативной активностью. Мембранные ферменты катализируют образование низкомолекулярных органических
веществ, называемых вторичными посредниками. Если первичные посредники передают сигнал
от одной клетки до наружной мембраны другой клетки и взаимодействуют с ее рецепторами, то
вторичные посредники передают сигнал дальше: от наружной мембраны к внутриклеточным белкам и структурам. Первичные посредники – это гормоны, медиаторы и другие биологически активные вещества; вторичные посредники – это ионы Са2+, циклический АМФ, циклический ГМФ,
инозитолфосфат и другие. При этом возможны два варианта.
а) Рецепторные каталитические белки не только взаимодействуют с сигнальной молекулой, но и осуществляют каталитическую реакцию, превращая одно химическое соединение в
другое.
Такой механизм характерен для реагирования клеток на инсулин (рис.15). Связывание инсулина с α-субъединицами инсулинового рецептора ведет к активации β-субъединиц: сначала они
присоединяют к себе богатые энергией остатки фосфорной кислоты, а затем активируют особый
белок IRS-I, фосфорилируя его, то есть присоединяя к нему богатый энергией остаток фосфорной
13
кислоты. Активированный белок IRS-I активирует другие белки, участвующие в регуляции клеточных процессов.
1
1
2
3
4
АТФ
Ф
АДФ
АТФ
Ф
АДФ
ф
5
АТФ
АДФ
активация белков
Рис.15. Трансмембранная передача информации о присутствии инсулина – гормона поджелу
дочной железы.
А) неактивное состояние инсулинового рецептора;
Б) активное состояние инсулинового рецептора;
1 – молекула инсулина;
2 – α-субъединица тирозиновой протеинкиназы – рецептора инсулина;
3 – β- субъединица тирозиновой протеинкиназы –рецептора инсулина;
4 – наружная плазматическая мембрана;
5 – белок IRS-1;
Ф – остаток фосфорной кислоты.
Другим рецепторным каталитическим белком является гуанилатциклаза, катализирующая
образование цГМФ из ГТФ (рис.16). Внеклеточный участок этого фермента служит рецептором
специфических межклеточных регуляторов, а внутриклеточный участок проявляет каталитическую активность. Гуанилатциклаза (ГЦ) одного типа реагирует на предсердный натрийуретический фактор (ПНФ) – гормон, вырабатываемый клетками предсердия. ГЦ другого типа реагирует
на натрийуретический пептид из мозга, ГЦ третьего типа – на кишечный пептид гуанилин. Образующийся циклический ГМФ взаимодействует со специфическими мембранными и цитоплазматическими белками.
1
А
Б
2
1
3
3
ГТФ
цГМФ
активация
белков
Рис.16. Трансмембранная передача информации о присутствии предсердного натрийуретического фактора – гормона предсердия.
А - неактивное состояние
14
Б - активное состояние
1 – молекула гормона;
2 - гуанилатциклаза – рецептор гормона;
3 – наружная плазматическая мембрана
б) Рецепторные белки взаимодействуют с мембранным ферментом через особые белки,
называемые G-белками. G-белки называются так потому, что используют в качестве источника
энергии не АТФ, а ГТФ, содержащий гуанин (англ.- Gyanin). G-белок состоит из нескольких субъединиц разных видов: α, β и γ. G-белки являются универсальными посредниками при передаче
сигналов от рецепторов к ферментам клеточной мембраны, катализирующим образование особых
веществ, названных вторичными посредниками (первичные посредники – это химические факторы, действующие на рецептор).
Такой механизм характерен для реагирования клеток на адреналин. Так, связывание адреналина с β-адренорецептором ведет к активации G-белка (рис.17), что проявляется в связывании его
α-субъединицы с ГТФ. Активированная α-субъединица G-белка взаимодействует с ферментом
аденилатциклазой, активируя его. Аденилатциклаза обнаружена во всех типах клеток. Будучи активированной, она превращает АТФ в циклический АМФ (рис.18). цАМФ активирует цитоплазматический фермент протеинкиназу А, которая фосфорилирует другие ферменты, присоединяя к
ним от АТФ богатый энергией остаток фосфорной кислоты. При таком механизме имеет место
усиление первоначального сигнала в 106-107 раз. Это достигается следующим способом: одна молекула адреналина - первичного посредника, активирует одну молекулу рецептора, которая активирует уже несколько молекул G-белков; в свою очередь каждая молекула G-белка активирует несколько молекул аденилатциклазы, каждая из которых образует тысячи молекул цАМФ; и т.д.
Благодаря каскадному механизму усиления сигнала одна молекула регулятора, например, адреналина, способна изменить активность миллионов других молекул.
1
А
Б
1
3
3
4
5
6
ГТФ ГДФ
АТФ цАМФ
2
фосфорилирование
белков
Рис.17. Схема строения и функционирования системы трансмембранной передачи
сигнала, связанной с G-белками.
А – неактивное состояние системы
Б – активное состояние системы
1- молекула адреналина - первый посредник
2 – протеинкиназа А
3 – двойной липидный слой мембраны
4 – рецепторный белок - β-адренорецептор
5 –G-белок
6 - фермент аденилатциклаза
цАМФ – второй посредник
Серым цветом обозначено активированное состояние белков.
15
Рис. 18. Образование циклического АМФ из АТФ.
Связывание адреналина с α1-адренорецептором запускает похожий механизм (рис.19), в котором активация G-белка ведет к активации мембранного фермента фосфолипазы С. Активированная фосфолипаза С расщепляет мембранный липид фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат (ФИФ2)
на инозитол-1,4,5-трифосфат (ИФ3) и диацилглицерол (ДАГ). ДАГ остается в мембране и активирует протеинкиназу С, которая фосфорилирует специфические ферменты. Гидрофильный ИФ 3
связывается с белками кальциевых каналов мембраны эндоплазматической сети, что приводит к
изменению их конформации и открытию каналов, после чего ионы Са 2+ поступают из полости
ЭПС в жидкую часть цитоплазмы – цитозоль. В цитозоле ионы Са2+ осуществляют свое специфическое действие, взаимодействуя с различными белками, в том числе с кальмодулином и протеинкиназой С.
А
Б
1
3
ФИФ 2
2
4
ФИФ2
ДАГ
3
ИФ3
5
12
Ф
6
11
7
10
АТФ АДФ
8
9
Рис.19. Трансмембранная передача информации о присутствии адреналина – гормона надпочечников – с помощью α1-адренорецептора и G-белков.
А - неактивное состояние
Б - активное состояние
1 - α1-адренорецептор
2 – G-белок
3 – наружная плазматическая мембрана
4 – фосфолипаза С
16
5 – протеинкиназа С
6 – мембрана эндоплазматической сети
7 – кальмодулин
8 – фермент
9 – активный комплекс фермента с кальмодулином
10 – белок
11 – ионы Са2+
12 – кальциевые каналы
ФИФ2 – мембранный липид фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат
ИФ3 – инозитол-1,4,5- трифосфат
ДАГ – диацилглицерол
- ионы Са2+
Ф - остаток фосфорной кислоты
3) В передаче сигнала участвуют рецепторные белки, расположенные в цитоплазме или
ядре клетки (рис.20). Сигнальная молекула беспрепятственно проходит через липидные слои
наружной мембраны и в цитоплазме связывается с рецепторным белком. Образовавшийся комплекс проникает в ядро, где взаимодействует с регуляторными участками генов ДНК, активируя
или тормозя их работу.
А
Б
1
3
3
4
6
2
2
5
5
Рис.20. Трансмембранная передача информации о присутствии кортизола – гормона
яичников – с помощью цитоплазматического рецептора.
А – неактивное состояние системы
Б – активное состояние системы
1- молекула гормона яичников кортизола
2 – ядро клетки
3 – наружная плазматическая мембрана
4 – рецепторный белок
5 –ДНК
6 – комплекс гормон-рецептор
Важным и обязательным этапом процесса трансмембранной передачи сигнала является быстрое разрушение сигнальной молекулы или инактивация рецепторов, то есть приведение их в состояние, когда они не способны связывать сигнальную молекулу. Это необходимо для того, чтобы
сигнальная молекула не оказывала свое воздействие тогда, когда необходимость в ней отпала.
Инактивация достигается следующими способами:
- фосфорилированием рецепторного белка, что сопровождается изменением его пространственной структуры и потерей способности взаимодействовать с лигандом;
- поглощением комплекса лиганд-рецептор путем эндоцитоза.
Существует ряд наследственных заболеваний, связанных с мутациями генов, кодирующих белки, участвующие в трансмембранной передаче сигнала. Многие лекарственные средства оказывают свое действие посредством влияния на белки системы трансмембранной передачи сигнала.
17
Мишенями токсинов многих болезнетворных микроорганизмов также являются белки этой системы. Например, холерный токсин действует на G-белок, приводя его в активное состояние, что в
свою очередь запускает неконтролируемый процесс выхода воды из клеток, приводящий к гибели
человека от обезвоживания.
2.4. Участие плазматической мембраны в поддержании формы клеток и их подвижности.
2.5. Участие плазматической мембраны в межклеточных взаимодействиях.
Важной особенностью многоклеточного организма является наличие межклеточных взаимодействий разного рода. Благодаря им формируются ткани, осуществляется передача информации
от специализированных клеток одного типа к клеткам того же или иного типа, происходит межклеточное узнавание. В формировании межклеточных взаимодействий любого типа участвует
наружная плазматическая мембрана. Различают два типа межклеточных взаимодействий:
1) дистанционные взаимодействия
2) непосредственные взаимодействия, или межклеточные контакты.
При дистанционных взаимодействиях клетки не соприкасаются друг с другом и взаимодействие осуществляется посредством химических соединений, которые выделяются из одной клетки
и действуют на другую клетку. Эти взаимодействия осуществляются с при непосредственном участии сигнальных молекул, рецепторных и других белков трансмембранного и цитоплазматического участков сигнальных путей.
Для непосредственных взаимодействий, или межклеточных контактов, характерно соприкосновение клеток своими поверхностями и наличие в соседних клетках мембранных белков, вступающих в контакт друг с другом непосредственно или через посредника (рис.21). Эти белки взаимодействуют друг с другом в соответствии с принципом комплементарности, обеспечивая взаимное узнавание.
А
Б
В
Рис.21. Виды взаимодействия между белками соседних клеток.
А – в контакте участвуют одинаковые белки
Б - в контакте участвуют разные белки
В – в контакте участвует белок-посредник.
Свойство клеток соединяться, сцепляться друг с другом называется адгезией. За адгезию отвечают молекулы белков клеточной адгезии. Некоторые из них связывают клетки друг с другом за
счет межмолекулярных взаимодействий, другие образуют специальные межклеточные соединения, или контакты. Существует несколько классов белков клеточной адгезии.
1) Кадгерины. Они представляют собой интегральные фибриллярные мембранные белки.
Кадгерины соседних клеток в присутствии ионов кальция взаимодействуют друг с другом
своими концевыми фрагментами, формируя структуру, похожую на застежку-молнию. Для
разных клеток характерны одинаковые или разные виды кадгеринов. В нстоящее время известно более 40 видов кадгеринов.
2) Молекулы адгезии нервных клеток. Они принадлежат к семейству иммуноглобулинов и
образуют связи между нервными клетками. Некоторые из них участвуют в соединении синапсов и при адгезии клеток иммунной системы.
18
3) Селектины. Интегральные белки, участвующие в адгезии клеток эндотелия – эпителия
кровеносных сосудов, в связывании кровяных пластинок (тромбоцитов), лейкоцитов.
4) Интегрины. Эти белки в первую очередь осуществляют связь клеток с веществами внеклеточного матрикса, но могут участвовать и в адгезии клеток друг с другом.
Кроме белков, участвующих в адгезии клеток, в мембране клеток позвоночных расположены
белки, демонстрирующие принадлежность клетки к своему организму. Это белки главного комплекса гистосовместимости (МНС). Каждый человек имеет свой набор таких белков, по которому
его клетки отличаются от клеток другого человека.
Известны следующие группы непосредственных межклеточных контактов:
1) плотные, или запирающие, замыкающие, контакты
2) прикрепительные, или заякоривающие, сцепляющие, контакты
3) коммуникационные контакты.
Познакомимся с краткой характеристикой межклеточных контактов.
Плотные, или запирающие, контакты формируют непроницаемый барьер между соседними
клетками и предотвращают проникновение ионов и мельчайших молекул через слой клеток. Эти
контакты характерны для однослойных эпителиев.
Прикрепительные контакты прикрепляют клетки друг к другу или к внеклеточному матриксу. Они формируются путем соединения наружной мембраны с белками цитоскелета, которые
препятствуют механическому растяжению клетки. Прикрепительные контакты особенно распространены в клетках, которые подвергаются механическим нагрузкам, например, в эпидермисе кожи и сердечной мышце. Все виды сцепляющих контактов проницаемы для водных растворов и не
ограничивают диффузию. Различают следующие виды прикрепительных контактов:
а) адгезивные контакты
б) десмосомы
в) полудесмосомы.
Известны заболевания, обусловленные нарушением строения белков межклеточных контактов.
Межклеточные контакты нарушаются при злокачественных новообразованиях. Особенности межклеточных взаимодействий учитывают при манипуляциях с клетками, в том числе зародышевыми,
при создании искусственных тканей.
Видоизменения наружной плазматической мембраны.
Для выполнения специальных функций некоторые клетки формируют особые видоизменения
наружной мембраны. Известны следующие видоизменения плазматической мембраны:
1) микроворсинки;
2) реснички и жгутики.
Микроворсинки имеются у многих клеток человеческого организма, но особенно много их в
клетках эпителия тонкого кишечника. На поверхности, обращенной в полость кишечника, каждая
эпителиальная клетка содержит около 3 тысяч микроворсинок. Микроворсинка представляет собой короткий пальцевидный вырост клетки, содержащий цитоплазму и покрытый наружной
19
плазматической мембраной. Внутри микроворсинки находятся пучки актиновых микрофиламентов, связанных с молекулами миозина, расположенными на внутренней стороне плазматической
мембраны микроворсинки.
Микроворсинки увеличивают поверхность клетки для мембранного пищеварения и поглощения продуктов пищеварения из полости кишечника