Жидкостно-мозаичная модель мембраны

С середины 60-х годов XX века начали накапливаться факты, прямо или косвенно свидетельствующие как против уни­тарной гипотезы организации мембран, так и против некоторых основных положений «бутербродной» модели. В частности, ока­залось, что четкую трехслойную структуру при электронно-микроскопическом исследовании обнаруживают далеко не все мембраны. Появилось значительное количество примеров либо по отдельным разновидностям мембран, либо по отдельным участкам одной и той же мембраны, где последняя на электроннограммах имела глобулярную структуру. Больше того, оказа­лось, что типичная ультраструктурная картина организации мембран может сильно извращаться при разных способах фик­сации материала. В связи с этим широкое распространение стали получать представления о том, что обычные методы фиксации и обработки материала вообще непригодны для изу­чения морфобиохимической организации мембран.

Большое количество фактов, трудно объяснимых с позиций «бутербродной» модели, было получено в цитофизиологических исследованиях. В частности, анализ проблемы трансмембран­ного транспорта показал, что мембрана, по-видимому, гораздо лабильнее и динамичнее, чем это следует из «бутербродной» модели. Изучение белков, входящих в состав мембран, выявило, что вопреки постулируемой моделью их ламеллярной структуре значительная часть мембранных белков имеет глобулярную структуру. Кроме того, легко экстрагируемые белки, т.е. те, которые удаляются растворами повышенной ионной силы, раз­рушающими электростатические взаимодействия, составляют лишь малую часть мембранных белков. Основная же их масса представлена трудно экстрагируемыми белками, которые свя­заны с липидами не электростатическими, а более прочными химическими взаимодействиями.

Наконец, весьма веским аргументом против трехслойной модели была термодинамическая неустойчивость такого рода системы. Ведь гидрофильные компоненты липидного слоя оказываются изолированными от водной фазы сплошным слоем гидрофильных белковых молекул. Такая система требует для поддержания своей структуры значительных затрат энергии. В связи с этим стало распространяться представление о том, что при построении сложной белково-липидной системы мем­бран в живой природе должен быть использован более выгод­ный термодинамический принцип, а именно принцип гидрофобно-гидрофильных взаимодействий. Среди многочисленных моделей мембран, предложенных в середине 60-х годов, начали выделяться те, в которых постулировалось наличие гидрофоб­но-гидрофильных взаимодействий не только между липидными молекулами, но и между липидами и белками.

Одной из таких моделей является модель липопротеинового коврика, согласно которой мембраны образованы переплете­нием липидных и белковых мицелл, объединяющихся между собой на основе гидрофильно-гидрофобных взаимодействий (рис. 2,Б). Однако эта система весьма не динамична. Как мы увидим далее, она, по-видимому, реализуется лишь в отдельных специальных участках некоторых мембран, где требуются жест­кая структура и тесные стабильные взаимоотношения между липидами и белками (например, в области расположения ком­плексов типа К-Na-АТФазы или холинрецептивных белков постсинаптической мембраны холинэргических синапсов).

Более универсальным оказался второй вариант рассматри­ваемого типа моделей, так называемая жидкостно-мозаичная модель организации мембран (рис. 2,В). В этом случае, как и в «бутербродной» модели Даниэли и Даусона, постулируется на­личие жидкостной билипидной фазы, образованной строго ориен­тированными липидными молекулами. Однако в отличие от мо­дели Даниэли и Даусона белки, входящие в мембрану, не со­ставляют сплошного слоя на внутренней и внешней поверхно­стях билипидного слоя. Мембранные белки представлены тремя разновидностями: интегральными, полуинтегральными и пери­ферическими.

Из этой модели организации мембраны вытекает важное следствие, а именно возможность латерального и отчасти вер­тикального смещения интегральных и полуинтегральных белко­вых глобул, т. е. динамичность, лабильность такой системы. Большим достоинством жидкостно-мозаичной модели является также ее термодинамическая устойчивость: для поддержания этой структуры не нужны затраты энергии.

Как явствует из вышеизложенного, жидкостно-мозаичная модель организации мембраны значительно лучше соотносится с биохимическими данными по кинетике экстракции белков из мембранных фракций; кроме того, она находится в полном со­ответствии с реальными фактами преобладания в клеточных мембранах глобулярных белков над ламеллярными. Материал с сайта http://wiki-med.com

В настоящее время имеется уже много морфобиохимических и экспериментально-цитологических данных в пользу жидкостно­мозаичной модели. Например, такие данные получены при использовании метода замораживания-скалывания, наиболее адекватного для морфологического исследования мембран. Сколы чаще всего проходят по середине гидрофобной фазы мем­браны, и на репликах сколотых поверхностей удается видеть или бугорки глобул интегральных белков, выступающих над ли­пидным слоем, или углубления на ровной поверхности липид­ного слоя, соответствующие местам расположения белковых глобул (см. рис. 2, В). Это связано с тем, что белковая моле­кула не раскалывается и отходит целиком в одну из половин «расщепленной» мембраны. Оказалось, что количество глобул интегральных белков и характер их расположения в мембране специфичны не только для плазматических мембран клеток раз­личной специализации, но даже и для разных участков плаз­матических мембран одной и той же клетки, как это наблю­дается в случае некоторых узкоспециализированных клеток, на­пример мужской половой клетки — сперматозоида.

Экспериментально-цитологические доказательства справедли­вости важного следствия жидкостно-мозаичной модели — нали­чия латерального перемещения белковых глобул в плоскости мембраны — были получены в опытах с гибридизацией клеток разных видов млекопитающих и дальнейшим определением видоспецифичных белков в плазматической мембране гибрид­ной клетки методами иммуноцитохимии. Результаты этих опы­тов показывают, что уже через 40 мин после объединения плаз­матических мембран клеток человека и мыши «мышиные» и «человеческие» белки мембраны равномерно распределяются в плазматической мембране гибридной клетки (гетерокариона). Как раз за такой срок (40 мин) по расчетам выравниваются концентрации белковых молекул в жидкостно-липидной фазе в результате свободной диффузии в плоскости мембраны, про­исходящей без затраты энергии.

Создание жидкостно-мозаичной модели организации биоло­гических мембран стимулировало изучение конкретных физико­химических свойств разнообразных липидов и белков, входящих в состав клеточных мембран.