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.