Функции плазматической мембраны [клеточной, цитолеммы, плазмалеммы]
Одним из общих свойств мембраны является ее способность регулировать проникновение ионов в клетку и выход их в межклетники путем изменения собственной проницаемости. На основе этой способности в специализированных клетках развиваются такие сложные процессы, как генерация и проведение нервного импульса и его передача либо от одного нейрона к другому, либо от нейрона к мышечным клеткам и волокнам. Вполне естественно, что на выявлении тонких механизмов этой функции мембраны уже давно сосредоточены усилия биологов самого разного профиля — от цитологов и молекулярных биологов до физиологов и биофизиков. Ведь знание таких механизмов необходимо и для дальнейшего развития многих важных разделов общей физиологии. Однако, несмотря на комплексные усилия, проблема проницаемости мембран находится еще на уровне феноменологического анализа.
Ионные каналы
Общепризнано представление о том, что морфобиохимической основой регуляции проницаемости мембран для ионов является присутствие в мембранах особых каналов. Относительно их свойств имеются следующие сведения: эти каналы обладают высокой специфичностью для отдельных ионов, для них характерны большая мощность (т. е. большое количество ионов, проходящих через мембрану в единицу времени) и низкая энергия активации. Клетка, по-видимому, способна тонко регулировать работу всей совокупности этих каналов. Помимо общих свойств, присущих всем ионным каналам, известны и многие специфические особенности, характерные для отдельных разновидностей каналов, в частности для K+ -, Na+ -, Са2+- и Cl-- каналов. Несмотря на это, как отмечалось уже выше, наши знания о химической природе ионных каналов ограничиваются пока лишь предположением о том, что они образованы белками. Подобное предположение обосновано косвенными экспериментальными данными.
Ионофоры
Искусственные ионофоры
Более конкретные сведения о работе ионных каналов получены при анализе механизмов действия некоторых антибиотиков на плазматическую мембрану клеток прокариот, а также при исследовании свойств этих антибиотиков с помощью моделей искусственных мембран. Такие антибиотики являются полипептидами, среди которых хорошо изучены валиномицин, грамицидин, аламетицин. Известны аминокислотная последовательность и вторичная и третичная структуры этих молекул. Это позволяет приступить к анализу механизма их действия на плазматическую мембрану клеток. Общим свойством таких полипептидов является их способность резко менять проницаемость мембраны для ионов, что в конечном итоге и обусловливает гибель бактериальной клетки под воздействием антибиотиков. В основе механизма бактерицидного действия лежит встраивание молекулы антибиотика в мембрану и образование искусственного ионного канала, в связи с чем они и получили название искусственных ионофоров. Конкретные механизмы возникновения таких каналов могут быть различными у разных антибиотиков. Либо этот канал формируется за счет закономерного расположения отрицательно заряженных групп внутри молекулы, либо в его образовании принимает участие несколько молекул антибиотика. Возможны и другие, более сложные механизмы возникновения таких каналов.
Тщательное и интенсивное изучение искусственных ионофоров привело к заключению о том, что они, по-видимому, работают на основе тех же закономерностей, которые обусловливают естественную регуляцию проницаемости ионов в плазматических мембранах нормальных клеток. Таким образом, изучая механизмы действия искусственных ионофоров, мы приближаемся к пониманию организации естественных ионных каналов биологических мембран. Однако анализ работы рассматриваемых антибиотиков на моделях искусственных мембран показал, что ни один из них не обладает всей совокупностью свойств, присущих естественным ионофорам: высокой селективностью к отдельным ионам, низкой энергией активации, большой мощностью и регулируемостью. Обычно для искусственных ионофоров характерна лишь более или менее резкая выраженность одного или нескольких свойств естественных ионофоров.
Естественные ионофоры
Среди немногочисленных, относительно хорошо изученных в морфобиохимическом отношении примеров естественных ионофоров можно привести холинрецептивные белки постсинаптической мембраны нервно-мышечного синапса электрических органов у ската. В цитологических и биохимических исследованиях середины 70-х годов было высказано предположение, что естественный ионофор представлен здесь сложным комплексом интегральных белков. В его составе было выделено четыре мономера с молекулярным весом около 80 000 каждый, которые на конце, выступающем над наружной поверхностью мембраны, имеют центр для связывания с молекулой ацетилхолина. Задействование этого центра приводит к изменениям четвертичной структуры комплекса. В результате в центре комплекса формируется ионофорный канал, обусловливающий необходимое для генерации импульса перераспределение ионов. При отсутствии молекул ацетилхолина канал не функционирует и условий для генерации нервного импульса нет. Закрытое и открытое состояния таких каналов удается наблюдать с помощью электронного микроскопа. Интегральная природа белков-ионофоров доказывается иммуноцитохимическими методами. Специфические антигенные детерминанты обнаружены как на наружной, так и на внутренней поверхностях постсинаптической мембраны.
Для естественных ионофоров, по-видимому, кроме внутримолекулярной регуляции их работы характерна регуляция со стороны других компонентов плазматической мембраны и клетки в целом. Так, новое экспериментальное подтверждение получили в последнее время представления о том, что в основе обезболивающего эффекта анестезирующих агентов лежит действие их на липиды мембран и в первую очередь на липиды плазматической мембраны. В свете современных знаний о ее внутренней организации и естественных интегральных белках-ионофорах весьма вероятно предположить, что включение и выключение ионных каналов ионофоров могут осуществляться путем изменения степени жидкостности липидов, связанных с естественными ионофорными белками.
Необходимость наличия непосредственной связи липидов с интегральными белками естественных ионофоров показана на примере холинрецептивных белков постсинаптической мембраны.
Аналогичные данные имеются и в отношении достаточно изученных в морфобиохимическом плане других интегральных белков мембран. Так, в частности, для проявления функциональной активности К-Na-АТФазы необходима ее связь с фосфатидилсерином.
Таким образом, в настоящее время накапливается все больше и больше фактов, свидетельствующих о том, что в мембранах существуют сложные и неоднозначные взаимоотношения между интегральными и полуинтегральными белками и специфическими липидами билипидного слоя. Помимо характерного для жидкостно-мозаичной модели представления о том, что белковые глобулы плавают в жидкой липидной фазе, приобретает веские основания и та точка зрения, что белки вступают в более тесный структурный контакт с прилегающими к ним липидными молекулами.
Структурные взаимоотношения в области контакта, по-видимому, могут быть весьма разнообразными от гидрофобно-гидрофильных взаимодействий типа «плетеною коврика» до возникновения специфических липопротеинов типа аденилатциклазы. Естественно, что такие взаимоотношения делают структуру мембраны в определенных участках более жесткой, при этом стабилизируется положение белковых глобул и изменяются свойства прилегающих к ним липидов. Стабилизация положения белковых глобул может достигаться и за счет их структурных связей с компонентами над- и субмембранных систем поверхностного аппарата и даже с мембранами соседних клеток или с белками, покрывающими твердый субстрат, на которых распластываются клетки, как это имеет место в случае культуры клеток in vitro. Подобные взаимоотношения, как мы увидим ниже, очень характерны для структуры плазматической мембраны в области постоянных межклеточных контактов.
Следовательно, одной из тенденций ревизии и дальнейшей разработки жидкостно-мозаичной модели являются выяснение факторов, стабилизирующих положение белковых глобул в мембране, и конкретный анализ механизмов липидно-белковых взаимодействий, которые, по-видимому, много сложнее и разнообразнее простых гидрофобно-гидрофильных взаимодействий. Это справедливо, во всяком случае, в отношении липидов, контактирующих с интегральными и полуинтегральными белками Новая, разрабатываемая в настоящее время синтетическая модель организации мембран должна, очевидно, отразить наличие стабилизирующих факторов, дать их классификацию и объяснить их роль в морфобиохимической организации мембраны. Материал с сайта http://wiki-med.com
Однако для этой цели необходимы как существенный прогресс наших знаний о морфофункциональной организации суб- и надмембранной систем поверхностного аппарата клетки, так и конкретный анализ организации индивидуальных мембран с детальной характеристикой составляющих их компонентов. Последняя задача интенсивно разрабатывается, но она очень сложна и трудоемка. Даже у наиболее исследованного объекта — плазматической мембраны эритроцита млекопитающих — детально изучены лишь два интегральных гликопротеина (гликофорин и Band III-гликопротеин), К-Na-АТФаза и полуинтегральный белок — фермент ацетилхолинэстераза (рис. 4).
Как видно на схеме, для гликофорина характерно наличие длинного углеводного компонента, несущего отрицательные заряды. У Band III-гликопротеина углеводный компонент относительно короткий. Выделен и хорошо изучен особый, специфический только для эритроцитов, периферический белок спектрин. Он расположен у внутренней поверхности мембраны, имеет молекулярный вес около 500 тыс. и обладает АТФазной активностью. Этот белок обеспечивает стабилизацию интегральных белков в мембране эритроцита и играет, следовательно, существенную роль в функциях поверхностного аппарата эритроцита.
Менее подробные данные накоплены в отношении постсинаптической мембраны холинэргических синапсов, мембран фоторецепторов позвоночных и мембран некоторых других специализированных клеток. Естественно, что без полной и детальной характеристики белкового и липидного составов мембран в их сложных естественных взаимоотношениях невозможно ни дальнейшее углубление наших знаний об общих закономерностях организации мембран, ни понимание многообразных функций этой основной и наиболее постоянной системы поверхностного аппарата клетки.
функции липидов плазмолеммы
функции ионных каналов мембраны
свойства плазматической мембраны физиология
функции плазматических мембран физиология
сколько мембран в плазмолеммах