Рис. 3-6. Схема строения липидного бислоя: а - поперечный срез: б - фрегмент бислоя в трехмерном изображении.
У животных преобладающими липидами биомембран являются глицерофосфатиды, доля которых варьирует от 35-40% в плазматических мембранах до более чем 70% в мембранах митохондрий. Сфингофосфолипиды составляют почти 20% в плазматических мембранах и ие обнаруживаются в митохондриях. Гликолипиды, типичные для мембран миелиновой оболочки иервов (до 30% их липидного состава), слабо представлены (или почти отсутствуют) в других мембранах. Доля холестерола достигает 20-25% в плазматических мембранах и миелине, но не превышает нескольких процентов в митохондриях и ЭР.
В водной среде амфипатическая природа перечисленных липидов вынуждает их объединяться своими гидрофобными фрагментами, оставляя в контакте с водой лишь полярные «головки» молекул. Даже в искусственной среде (вне клеток) можно создать условия, при которых амфипатические липиды совершенно самостоятельно образуют два слоя молекул, обращенных друг к другу своими углеводородными «хвостами», а к водной фазе — гидрофильными «головками» (рис. 3-6). В каждом моиомолекулярном слое неполярные участки молекул объединяются между собой силами гидрофобного взаимодействия. Эти же силы связывают воедино неполярные «хвосты» одного слоя с такими же структурами другого. Кроме того, в пределах своего монослоя все полярные «головки» взаимодействуют с соседними посредством ионных и водородных связей.
Таким образом, липидный -бислой представляет собой нековалентное объединение множества молекул, упорядоченность которого предопределена их амфипатичностью. Структурное сходство мембранных липидов и неспецифичный характер соединяющих их слабых типов связи, — все это позволяет каждой молекуле легко меняться местами со своими соседями по моиослою (до 10 млн раз ежесекундно). В результате такой латеральной диффузии скорость перемещения липидных молекул вдоль монослоя может превышать 0,1 мм/мин. Высока и интенсивность их вращения вокруг своей продольной оси. Вместе с тем, перескок липидов из одного монослоя в другой (флип- флоп) в зрелой мембране — крайне редкое событие (меиее 2 молекул в месяц), ибо требует прохождения полярной «головки» через зону гидрофобных «хвостов».
Рис. 3-7. Правильное (а) и «вывернутое» (б) замыкание обрывка биомембраны (на примера мембраны эндоплазматического ретикулума).
Состав липидного бислоя асимметричен. Так, в плазматической мембране эритроцитов и других клеток холестерол и холиновые фосфолипиды содержатся преимущественно в наружном монослое, тогда как во внутреннем сильно преобладают этаноламиновые и несущие отрицательный заряд сериновые фосфати- ды. Гликолипиды же вообще локализованы только во внешнем моиослое клеточной мембраны.
Естественным атрибутом биологической мембраны является ее непрерывность: липидный бислой не может иметь «краев», он замыкается сам на себя, в виде бимолекулярной пленки окружая ограничиваемое им пространство. Нарушение целости биомембраны ведет к спонтанному слиянию мест разрыва, которое реставрирует безусловную непрерывность липидного бислоя (рис. 3-7). Во времена изучения органелл клетки, разделяемых ультрацентрифугированием, была обнаружена фракция мелких пузырьков (везикул), названных микро- сомами. Впоследствии оказалось, что в нативной клетке микросом не существует, а образуются они самопроизвольно, из обрывков мембраны эндоплазматического ретикулума (ЭР), возникающих при механическом разрушении клеток. Как показано на рис. 3-7, ориентация мембраны в «микросомах» может быть «правильной» (такой, как в нативном ЭР) либо вывернутой наизнанку (когда цитоплазматическая сторона мембраны ЭР оказывается внутри мик- росомной везикулы, а снаружи находится то, что в нативной мембране обращено в просвет
ЭР). Изучение «вывернутых» пузырьков не только подтвердило представления о даижущих силах самосборки биомембран, но и помогло выявить структурные различия между их внешней поверхностью и внутренней. И хотя микросомы в клетках не существуют, их название сохранилось в таких устойчивых терминах, как, например, микросомалъное окисление.
К числу функционально важных свойств биомембраны относится способность к отпоч- ковыванию своих фрагментов в виде мембранных везикул. Как показано на схеме (рис. 3-8), процесс начинается с появления выпячивания, края которого затем смыкаются, образуя перемычку. Она состоит из двух липидных бислоев, слияние которых завершается восстановлением непрерывности исходной мембраны и замыканием самостоятельного бислоя отшну- ровавшейся везикулы. Внутреннее ее содержимое отвечает составу среды с той стороны мембраны, которая противоположна направлению ее выпячивания. Если везикула формируется с внутренней стороны плазматической (клеточной) мембраны, то этот процесс обозначают термином эндоцитоз (или фагоцитоз, если из среды захватываются крупные частицы или даже целые клетки). Таким способом в клетку переносятся извне объекты, для которых нет иного механизма проникновения через биомембрану. Принципиально тот же процесс, но протекающий в обратном направлении, называется экзоцитозом. Он обеспечивает выделение компонентов клетки в окружающую среду. Обычно в экзоцитозе участвуют специальные внутриклеточные пузырьки. К ним относятся, в частности, секреторные везикулы, которые возникают путем отпочкования от аппарата Гольджи и заключают в себе белки, подлежащие отправке в межклеточную среду (например, проколлаген). Сливаясь затем с оболочкой клетки, везикулы отдают свое содержимое во внеклеточную среду, а их мембрана становится частью плазматической мембраны. Здесь есть одна тонкость: при отпочковании везикул внутренняя сторона цистерн Гольджи остается обращенной внутрь пузырька, а при его слиянии с клеточной оболочкой она становится наружным моиослоем плазматической мембраны.
Помимо плазматической мембраны, окружающей клетку, собственную бислойную мембрану имеют и некоторые внутриклеточные ор- ганеллы. К ним относятся, в частности, лизосо- мы, богатые ферментами внутриклеточного пищеварения (которые подвергают гидролизу и содержимое фагосом, сливающихся с лизосо- мами). Образуются лизосомы отпочкованием участков мембраны аппарата Гольджи. Из гладких участков ЭР таким же способом возникают пероксисомы, несущие в себе ферменты окислительной деградации органических молекул. Од- иако есть в клетке н такие органеллы, которые окружены двойной мембраной, т.е., двумя самостоятельными (замкнутыми на себя) липидными бислоями. К ним относятся ядра клеток и митохондрии (в растениях - еще и хлороппасты).
В митохондриях наружная мембрана имеет довольно ровную поверхность и иигде ие смыкается с внутренней: оба бислоя разделяет межмебранное пространство. Внутренняя мембрана не просто окружает содержимое митохондрии (матрикс), а направляет в иего множество глубоких складок, которые обозначаются как кристы. Они почти в 5 раз увеличивают площадь этой мембраны (в сравнении с наружной), но уменьшают объем матрикса. Тем не меиее, именно в нем сосредоточено до 70% белков митохондрии.
В отличие от митохондрий, наружная мембрана клеточного ядра местами сливается с внутренним бислоем, образуя ядерные поры. Размеры их достаточны для прохождения молекул РНК (в виде нукпеопротеиновых комплексов) из ядра в цитоплазму, а гистонов и других ядериых белков — в обратном направлении (см. раздел 2.4.2). Но самое уникальное заключается в том, что наружная ядерная мембрана формирует обширные, сильно ветвящиеся тупиковые выросты в виде чередующихся трубочек и уплощенных расширений (цистерн). Совокупность их обозначается как ЭР. Понятно, что мембрана этой сети представлена одиночным бислоем. Несмотря на обилие складок и изгибов, он образует непрерывную поверхность, которая ограничивает единое пространство (полость ЭР), продолженное в межмембранную часть ядерной оболочки. Эта полость ненамного превышает 10% клеточного объема, тогда как мембрана ЭР составляет более половины площади всех мембран клетки (доля внутренней мембраны митохондрий — от 20 до 30%).
Гладкие участки ЭР являются источником формирования аппарата Гольджи. Его уплощенные дисковидные цистерны образуются в результате слияния транспортных везикул, отделяющихся от ЭР.
МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ
Биологическая мембрана - это не только липидный бислой, ио и ассоциированные с ним белковые молекулы. Как показано на рис. 3-9, некоторые из иих фиксируются ионными И БО
РИС. 3-9. Способы ассоциации мембранных белков с липидным бислоем: а - поверхностный белок; б - интегральные белки, не пронизывающие весь бислой; в - трансмембранный белок; г - поверхностный белок, фиксированный на трансмембранном; д — белок, ковалентно связанный с якорной молекулой.
дородными связями на полярных «головках» мембранных липидов. Другие обладают неполярным участком, способным проникать в гидрофобную внутренность бислоя. Известен ряд белков, амфипатические свойства которых позволяют им ие только проникать в липидный бислой, но и создавать в нем сквозные отверстия (поры). Обычно они формируются множеством сомкнувшихся молекул белка, одна сторона которых (неполярная) взаимодействует с гидрофобными «хвостами» внутри бислоя, а другая (полярная) обращена в просвет поры. Есть и такие трансмембранные (интегральные) белки, молекула которых, пронизывая бислой, концами своими выступает из него, обычно по обе стороны мембраны. Некоторые из поверхностных мембранных белков ассоциированы не с липидами, а с внемем бранной частью интегрального белка. Иногда фиксация белка осуществляется ковалентным соединением со специальной якорной молекулой, другим концом погруженной в бислой или закрепленной в нем ковалентно.
Трансмембранный участок белков имеет довольно жесткую структуру а-спирали или р- складок, которая фиксирована внутренними водородными связями и экспонирует свои неполярные радикалы аминокислот в сторону гидрофобной зоны бислоя. Такие участки не имеют изгибов и по протяженности равны толщине этой зоны. У многих рецепторных белков срединная часть полипептидной цепи пронизывает мембрану многократно, делая изгибы (повороты) за пределами бислоя.
Как и липидные молекулы бислоя, мембранные белки могут вращаться вокруг оси, перпендикулярной его поверхности, хотя и го
раздо медленнее. Их латеральная диффузия варьирует в очень широких пределах, но всегда сильно уступает подвижности липидов. Диффузия белков плазматической мембраны резко тормозится, если они ассоциированы с фила- ментами цитоскелета или с белками соседних клеток, и вовсе прекращается в зоне межклеточных плотных контактов. Эта зона отделяет апикальную область клеточной мембраны от базальной и препятствует диффузии белков из одной области в другую. Тем самым обеспечивается своеобразие белкового спектра разных частей клеточной мембраны.
Мембраны, ограничивающие клеточные органеллы, гарантируют пространственное обособление тех или иных биохимических процессов. При этом специализация каждого отсека клетки обусловлена, прежде всего, спецификой набора ферментов и других белков. Так, синтез жирных кислот из активированной формы уксусной кислоты (ацетил-КоА) происходит в цитозоле, тогда как окислительная деградация их до ацетил-КоА и далее до СО2 и НгО осуществляется в матриксе митохондрий, где в процесс вовлечены не только растворимые ферменты, но и встроенные во внутреннюю мембрану этих органелл.
В качестве другого примера можно привести синтез мембранных липидов. Этот процесс реализуется комплектом ферментов, каждый из которых насквозь пронизывает мембрану ЭР, но своим активным центром ориентирован в сторону цитоплазмы. Черпая из нее «строительный материал» в виде фосфоглице- рола, жирных кислот (предварительно активированных) и проч., эти ферменты уже с самого начала синтеза внедряют образуемые продукты (фосфатидная кислота, церамид) в структуру наружного монослоя мембраны, а затем постепенно достраивают липидную молекулу (перевод таких молекул во внутренний монослой осуществляется избирательно и только в период построения мембраны ЭР; механизм этой процедуры пока неясен). На внутренней стороне мембраны ЭР локализованы фермеиты вне- митохоидриального (микросомального) окисления, в том числе те, которые участвуют в биосинтезе холестерола и его производных.
Еще одно проявление трансмембранной асимметрии заключается в том, что ферменты постсинтетической модификации белков локализованы в просвете ЭР и обычно встроены в мембрану. Среди них наиболее многочисленны гликозиптрансферазы, осуществляющие построение разнообразных углеводных фрагментов на молекулах большинства белков (и некоторых липидов). Подробнее эти реакции глико- зилироваиия будут изложены в разделе 10.3.4. А пока важно подчеркнуть, что протекают они только на внутренней стороне мембраны ЭР и аппарата Гольджи. Поэтому в любых мембранах углеводные цепочки сосредоточены лишь на той стороне, которая не прилежит к цитозолю. В ходе экзоцитоза секреторных везикул их содержимое (включая гликоконъюгаты) поступает в межклеточную среду, а мембрана встраивается в плазматическую мембрану. При этом углеводные фрагменты гликопротеинов и гликолипидов оказываются на внешней стороне клеточной оболочки, составляя от 2 до 10% ее массы. Нейраминовая кислота в их составе в основном и ответственна за наличие отрицательных зарядов на поверхности клеток.
