Поверхностный аппарат клетки. Методические указания.. Михеев в. С

• Название: Михеев в. С
• Анкор: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Дата: 25.04.2017
• Размер: 0.92 Mb.
• Имя файла: Поверхностный аппарат клетки. Методические указания..doc
• Тип: Реферат; #4868
• Категория: Биология. Ветеринария. Сельское хозяйство
• страница: 2 из 18

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КЛЕТКИ

Клетка - это элементарная мембранная система, обладающая свойствами самосохранения, саморегуляции и самовоспроизведения.

Медицинский интерес представляют 2 типа клеток: прокариотические (от лат. рrо - до, перед; греч. karion - ядро) и эукариотические (от греч. eu — хорошо, полностью; karyon - ядро). В соответствии с характерным для организмов типом клеток, их классифицируют как прокариот и эукариот.

Кроме них существуют мезокариотические клетки, представленные немногочисленной специализированной группой организмов (панцирных жгутиконосцев), не имеющих медицинского значения.

Прокариоты (доядерные) представлены огромным многообразием

бактерий (от греч. bakterion - палочка). Как и любая клетка, прокариотическая клетка имеет поверхностный аппарат, в котором обязательно присутствует биомембрана (от греч. bios - жизнь; лат. membrana - кожица). Характерной особенностью прокариотических клеток является отсутствие универсальных внутриклеточных мембранных структур - эндомембран (от греч. endon - внутри; лат. membrana - кожица).

Прежде всего это касается ядерного аппарата прокариот – их генетический материал расположен в цитоплазме (от греч. kytos - клетка; plasma - образование) и не изолирован от нее ядерной оболочкой. Именно поэтому данная группа организмов получила название «прокариоты».

Генетический материал прокариотических клеток, называемый нуклеоидом (от лат. nucleus — ядро; греч. eidos — вид, подобие), представлен кольцевой молекулой ДНК в комплексе с небольшим числом белков, прикрепленной к участку клеточной мембраны – мезосоме (от греч. Mesos - средний, промежуточный; soma - тело). В цитоплазме прокариот имеется единственный немембранный органоид (от греч. Organon - орган; eidos – вид, подобие) – рибосомы.

Эукариоты (истинно ядерные) представлены одноклеточными и многоклеточными организмами, относящимися к царствам грибов, растений и животных. Как и прокариотические, эукариотические клетки имеют поверхностный аппарат с биомембраной. В отличие от прокариотических клеток, эукариотические содержат разнообразные внутриклеточные мембранные структуры.

Во-первых, это - ядерная оболочка, окружающая генетический материал и формирующая ядро - ядерный аппарат эукариот, называемых так именно по наличию истинного ядра. Генетический материал ядра сформирован несколькими линейными молекулами ДНК в комплексе с большим количеством белков.

Во-вторых, в цитоплазме эукариотических клеток имеется целый набор универсальных мембранных органоидов: эндоплазматическая (от греч. endon - внутри; plasma — образование) сеть, комплекс Гольджи, лизосомы (от греч. lysis - растворение; soma — тело), пероксисомы (от лат. per - сверх; греч. oxys - кислый; soma - тело) и митохондрии (от греч. mitos - нить; chondros - зернышко).

В клетках растений есть и специфичный для них мембранный органоид – пластиды (лейкопласты, хромопласты и хлоропласты).

Немембранные органоиды эукариот представлены рибосомами, имеющимися и у прокариот, а также специфичным для эукариотических клеток клеточным центром. Клеточного центр обеспечивает универсальный для них способ деления клеток - митоз (от греч. mitos - нить). Кроме митоза клеточный центр необходим и для другого вида деления эукариотических клеток - мейоза (от греч. meiosis - уменьшение), характерного для организмов, размножающихся половым путем. Прокариоты не имеют клеточного центра и размножаются простым бинарным (от лат. binarius — двойной) делением, в котором ведущую роль играет мезосома.
Прокариоты представляют большой интерес с точки зрения медицины, так как среди них имеются паразитические (от греч. parasitos - нахлебник) виды - возбудители многих инфекционных (от лат. inficere - заражать) заболеваний человека (туберкулез, тиф, сифилис, коклюш, дифтерия, проказа и т.д.). Их изучает специальная дисциплина - медицинская микробиология.

Эукариоты имеют не меньшее медицинское значение. Прежде всего, человек сам является эукариотическим организмом. Кроме того, к эукариотам относятся и многие паразиты человека (дизентерийная амеба, лямблия, грихомонада, балантидий, токсоплазма, малярийный плазмодий печеночный, легочный и кошачий сосальщики, свиной, бычий и карликовый цепни, эхинококк и альвеококк, широкий лентец, аскарида, острица, трихинелла, чесоточный зудень, вши и др.).

Некоторые членистоногие-паразиты (клещи, комары, москиты, мухи, слепни, блохи и т.д.) являются и переносчиками возбудителей различных болезней человека. Наконец, целый ряд животных, не являясь паразитами и переносчиками, представляют опасность для человека как ядовитые (некоторые медузы, перепончатокрылые, пауки, скорпионы, рыбы, саламандры, жабы, змеи).

наверх

СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН

БИОХИМИЯ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН

Эукариотическая клетка является сложной биосистемой, в составе которой вылеляют 3 универсальных субсистемы: поверхностный аппарат, цитоплазму и ядерный аппарат (ядро). В каждой из них есть мембранные элементы: клеточная мембрана поверхностного аппарата, мембранные органоиды цитоплазмы, ядерная оболочка ядра.

Значение мембран в жизнедеятельности клетки огромно — их площадь в некоторых клетках, например, гепатоцитах - клетках печени, достигает нескольких сот м². Структура и функции всех клеточных мембран имеют много общего, поэтому существуют универсальные фундаментальные характеристики биомембран как таковых.

Биомембраны, с биохимической точки зрения, включают 2 универсальных компонента: липиды и белки. В некоторых мембранах есть и углеводные компоненты, составляющие не более 10%.

В клеточных мембранах животных весовое соотношение липидов и белков, как правило, равное 1:1, хотя из этого правила есть исключения.
В наружной мембране митохондрий (не менее 60%), чем белков, а внутренняя мембрана митохондрий, напротив, харатеризуется высоким (около 75%) содержанием белков по сравнению с липидами.
Структурной основой биомембран являются сложные липиды. Кроме них в клеточных мембранах обнаруживаются и липоиды (от греч. lipos - жир; eidos - вид, подобие). Липиды представляют собой сложные эфиры жирных кислот (карбоновых кислот) и спиртов. Липоиды, обладая физико-химическими свойствами липидов, не являются эфирами жирных кислот.
Известно более 200 природных жирных кислот, однако в составе клеточных липидов животных и человека их обнаружено около 70, из которых более половины встречается в незначительных количествах. Практически значимые жирные кислоты (около 20) содержат четное число атомов углерода - от С12 до С24 с преобладанием кислот С16 и С18 . Порядка 75% таких жирных кислот являются ненасыщенными, или непредельными, т.е. содержат двойные связи между углеродными атомами.

Наиболее часто в составе мембранных липидов встречаются пальмитиновая (гексадекановая), стеариновая (октадекановая), пальмитоолеиновая (9-гексадеценовая), линолевая (9, 12-октадекадиеновая) и арахидоновая (5, 8, 11, 14-эйкозатетраеновая) кислоты. Линолевая и арахидоновая кислоты не синтезируются в организме человека и других млекопитающих, т.е. относятся к незаменимым жирным кислотам, поступающим в организм с пищей (линолевая - с растительной, арахидоновая - с животной).
Мембранные липиды являются сложными эфирами жирных кислот с одним из двух многоатомных спиртов: глицеролом (от греч. glyceros - сладкий) — глицерином (1,2,3,-триоксипропанолом) или сфингозином. В соответствии с этим различают мембранные глицеролипиды и сфинголипиды.

Структурной основой глицеролипидов является диацилглицерол - сложный эфир двух (не обязательно одинаковых) жирных кислот с трех атомным спиртом глицеролом. Важным свойством диацилглицерола является амфипатичность (amphi - двоякий; pathos - страдание) - его гидроксил определяет гидрофильность — растворимость в воде этой части молекулы, а углеводородные радикалы остатков жирных кислот - гидрофобность — нерастворимость в воде — противополож­ной части молекулы.
Диацилглицерол синтезируется на мембранах эндоплазматической сети по схеме:

глицерол + жирная кислота -> моноацилглицерол;

моноацилглицерол + жирная кислота -> диацилглицерол.
Структурную основу мембранных сфинголипидов составляет церамид - сложный эфир одной жирной кислоты с аминоспиртом сфингозином. Как и диацилглицерол, церамид представляет собой амфипатичную молекулу с гидрофильной гидроксильной группой сфингозина и двумя гидро­фобными: углеводородным радикалом жирной кислоты и углеводородным «хвостом» самого сфингозина.
Сфингозин образуется из жирной кислоты и аминокислоты серина. Церамид синтези­руется в клетках там же, где и диацилглицерол, - на мембранах эндоплазматической сети, по схеме: сфингозин + жирная кислота -> церамид.
Диацилглицерол и церамид можно считать простейшими мембранны­ми липидами. Их роль в клетке определяется тем, что на основе этих липидов синтезируются сложные липиды, которые и являются основным липидным компонентом клеточных мембран. Сложные липиды форми­руются взаимодействием свободных гидроксильных групп диацилглицерола или церамида с определенными молекулами, образующими «головки» сложных липидов.

Самая большая в процентном отношении группа мембранных слож­ных липидов - это фосфолипиды, в головках которых представлен фос­фат — остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды синтезируются как из диацилглицерола, так и из церамида. В соответствии с этим, они подраз­деляются на фосфоглицеролипиды и фосфосфинголипиды.

Простейшим фосфоглицеролипидом является фосфатидная кислота (фосфатидовая кислота), в которой гидроксильная группа диацилглицеро­ла замещена фосфатной. Замена гидроксила на фосфат приводит к усиле­нию амфипатичности молекулы.

Как правило, головка мембранных фосфолипидов представлена не простой фосфатной группой, а фосфатами спиртов и аминокислот. Ча­ще всего ими являются спирты холин, этаноламин, инозитол (инозит) и аминокислота серии. Образующиеся сложные липиды рассматривают в качестве производных фосфатидной кислоты: фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилинозитол. фосфатидилсерин. Присоединение к фосфатидной кислоте спиртов или аминокислот увеличивает гидрофильность головок сложных фосфоглицеролипидов и, следователь­но, амфипатичность.
Фосфоглицеролипиды - наиболее часто встречающиеся мембранные липиды клеток животных. В наружных клеточных мембранах их весовое содержание составляет порядка 40% всех липидов и липоидов, мембранах эндоплазматической сети - 70%, митохондриальных мембранах - более 80%.

В клеточных мембранах представлены и редко встречающиеся фосфоглицеролипиды, имеющие, тем не менее, важное физиологическое значение. В частности, фосфатидилинозитол-4,5-дифосфат наружной клеточной мембраны необходим для передачи определен­ных сигналов из внеклеточной среды в цитоплазму.

Мембраны нервных клеток и мышц содержат много алкилацильных фосфоглицероли­пидов, или фосфатидалей. В молекулах этих липидов один из углеводородных хвостов образован не сложной эфирной связью жирной кислоты с глицеролом, а простой эфирной связью высшего ненасыщенного спирта.

Во внутренней мембране митохондрий обнаружен уникальный для нее фосфоглицеролипид кардиолипин, впервые выделенный из кардиомиоцитов (клеток сердечной мышцы). Он представляет собой две молекулы фосфатидной кислоты, связанных молекулой глицерола, т.е. 1,3-дифосфатидилглицерол.
Кроме фосфоглицеролипидов в клеточных мембранах содержатся и фосфосфинголипиды, представителем которых в клетках животных яв­ляется сфингомиелин. При его образовании гидроксильная группа церамида замещается фосфохолином (холинфосфатом).

Относительно высокое содержание сфингомиелина характерно для наружных клеточ­ных мембран (до 20% всех липидов и липоидов), особенно миелиновых оболочек нервных клеток. С другой стороны, сфингомиелин не обнаруживается в мембранах митохондрий.

В клеточных мембранах (хотя и не всех) встречаются не только фосфолипиды, но и гликолипиды - сложные липиды с углеводной головкой. В клетках животных они представлены гликосфинголипидами.

Простейшими гликосфинголипидами являются глюкозилцерамид (церамид + глюкоза) и галактозилцерамид (церамид + галактоза). Они слу­жат предшественниками важных мембранных гликолипидов — ганглиозидов, образующихся путем поэтапного усложнения головки (при­соединения других моносахаридов и сиаловых кислот). В результате гликосфинголипиды характеризуются, как и фосфолипиды, амфипатичностью - имеют гидрофильную головку и гидрофобные хво­сты.

Гликолипиды образуются на основе церамида в комплексе Гольджи по схеме: церамид + сахарид -> гликосфинголипид. При их формировании происходит взаимодействие конце­вой гидроксильной группы церамида с гидроксильной группой сахарида (образование гликозидной связи). В клетках животных гликолипиды представлены преимущественно в наружной клеточной мембране, составляя 3-7% всех липидов и липоидов.

Например, в плазматической мембране эритроцитов находится около миллиона моле­кул гликосфинголипидов - антигенов групп крови системы АВО. В некоторых специализи­рованных клетках (миелиновых оболочках нейронов) их доля достигает 28%. В мембранах эндоплазматической сети и митохондрий гликолипиды обнаруживаются в следовых коли­чествах.

На фоне всего разнообразия мембранных липидов выявляется их об­щий план строения, отражающий амфипатичность, - все мембранные липиды имеют гидрофильную головку (фосфаты или углеводы) и два гидрофобных хвоста (углеводородные радикалы жирных кислот или сфингозина). Это свойство является решающим при образовании клеточ­ных мембран.
В биомембранах обнаруживаются и липоиды — органические молеку­лы со свойствами липидов, но не содержащие жирнокислотных радика­лов. Чаще всего в клеточных мембранах встречаются стероиды, важнейшим из которых является холестерол (холестерин). В частности, холестерол - это предшественник стероидных гормонов (например, по­ловых), гормона кальциферола (витамина Д) и желчных кислот.
Холестерол является универсальным компонентом клеточных мем­бран млекопитающих, включая человека. Его доля среди мембранных липидов и липоидов достигает 30%: от 50% в наружной клеточной мем­бране до 3% в мембранах митохондрий. Как и мембранные липиды, холе­стерол обладает амфипатичностью, т.е. имеет гидрофильную головку (гидроксильный радикал) и гидрофобный хвост.

Синтез холестерола осуществляется практически во всех клетках че­ловека, но преимущественно (80%) — в гепатоцитах (клетках печени). Интенсивное образование холестерола происходит также в клетках стенки тонкой кишки и кожи. Его синтез регулируется в организме по принципу отрицательной обратной связи.

Холестерол угнетает образование одного из своих предшественников, подавляя активность специфической редуктазы. Благодаря этому биосин­тез стерола ингибируется и холестеролом, поступающим в организм с пищей.

Наследственные дефекты редуктазы, не снижающие ее каталитической активности, но подавляющие чувствительность к регуляторному действию холестерола, приводят к гиперхолестеринемии (повышенной концентрации холестерола в крови). Такая аномалия является одним из факторов риска развития атеросклероза (липоидного поражения кровеносных сосудов) и холелитиаза (желчнокаменной болезни), при которой в печени и желчном пузыре формируются «камни», состоящие из холестерола.

В клеточных мембранах могут находиться и другие биологически важные липоиды, например, жирорастворимые витамины (А, Д, Е и К). Витамин Е (альфа-токоферол) необходим в составе мембран для предотвра­щения самопроизвольного окисления радикалов ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов.

При дефиците витамина Е в организме этот вид окисления не тормозится, что приводит к снижению стабильности клеточных мембран и нарушению функций клетки. Характерным симптомом гиповитаминоза Е (недостатка витамина Е) является гемолитическая анемия (дефицит эритроцитов из-за их преждевременного раз­рушения).

Известны наследственные формы гиповитаминоза Е. Причиной одной из них, абеталипопротеинемии, является дефект белка, участ­вующего в процессе всасывания и транспорта липидов и липоидов, включая витамин Е. Кроме других аномалий, абеталнпопротеинемия характеризуется снижением концентрации витамина Е в крови при­близительно в 10 раз и увеличением скорости гемолиза (разрушения эритроцитов) в 3 раза.

Для другой наследственной болезни, зритропоэтической анемии типа II (малокровии, обусловленном дефектом образования эритро­цитов), также характерен гиповитаминоз Е. Однако в данном случае снижение уровня витамина Е обусловлено его более интенсивным использованием в организме.

Первичной причиной этого является дефицит фосфатидилэтаноламина в мембранах эритроцитов (6% при норме 29%) и их пред­шественников — эритробластов и ретикулоцитов, который вызывает резкое усиление окисления липидов и гемолиза (разруше­ния эритроцитов) - более чем в 500 раз. В такой ситуации организм вынужден использовать намного большие количества витамина Е для снижения окисления липидов, и его концентрация в крови ста­новится меньше нормы.

Введение больным этой анемией дополнительного количества витамина E (токоферола) с пищей повышает его концентрацию в крови и снижает скорость гемоли­за, хотя интенсивность разрушения эритроцитов остается достаточно высокой (50% по сравнению с нормой в 0,13%).
В составе клеточных мембран липиды и липоиды выполняют 3 уни­версальных функции: структурную, барьерную и регуляторную.

Структурная функция мембранных липидов заключается в их мембранообразующей роли - они являются структурной основой всех био­мембран. Эта функция определяется амфипатичностью мембранных липидов, т.е. наличием гидрофильных (полярных, заряженных) головок и гидрофобных (неполярных, незаряженных) хвостов.

Благодаря своей гидрофильности липидные головки хорошо взаимо­действуют с дипольными молекулами воды, образуя устойчивые комплек­сы. Однако гидрофобные хвосты липидов взаимодействуют с молекулами воды очень плохо, требуя гидрофобной среды.

Такой средой являются гидрофобные радикалы жирных кислот липи­дов, т.е. в водной среде амфипатичные липиды связываются друг с другом своими хвостами на основе гидрофобных взаимодействий. В результате этого при достаточно большом количестве липидов в водном растворе они самопроизвольно формируют сферические структуры, стенки кото­рых образованы двумя слоями липидов — билипидным слоем (БЛС) тол­щиной порядка 7,5 нм.

Поскольку жизнь на Земле возникла в водной среде, цитоплазма всех клеток имеет водную основу, внутренняя среда многоклеточных организмов - тоже водный раствор. Очевидно, БЛС из амфипатических молекул небольшой величины оказался оптимальным вариантом структурной обособленности первых живых систем — протобионтов, изолиро­вавших свою внутреннюю (водную) среду от внешней (тоже водной).

Структурная роль липидов в мембранах подтверждается эксперимен­тами по частичному нарушению их строения с помощью ферментов фосфолипаз, катализирующих реакции гидролиза фосфолипидов. Так, фос­фолипаза А2 «отщепляет» остаток жирной кислоты, связанной со вторым углеродным атомом глицерола. В результате этой реакции образуется «однохвостый» лизофосфолипид.

Наличие определенного количества лизофосфолипидов в мембране приводит к ее разрушению. На уровне клетки действие фосфо­липазы А2 вызывает ее лизис (растворение, разрушение), т.е. данный фермент обладает цитолитической активностью. Большие количе­ства фосфолипазы А2 обнаруживаются в токсинах (ядах) змей, скор­пионов, пчел и других ядовитых животных, что и обусловливает их цитолитическое действие. При попадании таких токсинов в ткани развивается некроз (омертвение участка ткани из-за разрушения ее клеток).
Фосфолипаза В действует на лизофосфолипиды, катализируя реакцию удаления их единственного жирнокислотного хвоста. При совместном действии с фосфолипазой А2 фосфолипаза В снижает ее цитолитические эффекты, участвуя в гидролизе лизофосфолипидов, которые являются причиной дестабилизации мембран и лизиса клеток.

Фосфолипаза С катализирует реакцию удаления головки фосфолипи­дов. В результате этого образуется диацилглицерол, который, как и лизо­фосфолипиды, дестабилизирует биомембраны и вызывает их разрушение.

Фосфолипаза С также обладает цитолитическим действием. Большие количества этого фермента обнаружены в токсинах ряда паразитических бактерий, в частности, возбудителя опасного инфек­ционного заболевания холеры.
Фосфолипаза Д катализирует реакцию отщепления головки фосфолипидов, но с обра­зованием не диацилглицерола (продукта действия фосфолипазы С), а фосфатидной кисло­ты. Этот фермент характерен для растений и обнаружен у млекопитающих совсем недавно.
Таким образом, изменения структуры мембранных липидов - удале­ние только одного хвоста (фосфолипаза А2) или только головки (фосфо­липаза С) - ведут к дестабилизации и разрушению клеточных мембран. Это свидетельствует о том, что мембранные липиды (по крайней мере, фосфолипиды) являются структурной основой биомембран, выполняя в их составе структурную функцию.
Барьерная функция мембранных липидов реализуется ня уровне БЛС, в котором формируется гидрофобная фаза, состоящая из липидных хвостов обоих монослоев. Она имеет толщину порядка 4,2 нм и создает барьер для гидрофильных молекул, и, осооенно, ионов, включая самые мелкие - протоны (Н⁺). Не проницаемый для гидрофильных молекул барьер позволяет создавать и удерживать их градиенты (разность концен­траций по обе стороны БЛС).

В результате клетка способна сохранять свой внутренний ионный и молекулярный состав, отличающийся от внеклеточной среды. Внутрикле­точные мембраны позволяют разделить содержимое клетки на компартменты (отсеки), содержимое которых также отличается специфично­стью.

При наличии градиента ионов БЛС выполняет функции электроизолятора, в результате чего мембрана оказывается поляризованной. Поляризация мембран очень важна для функционирования нервных и мышечных клеток, характеризующихся определенным мембран­ным потенциалом покоя. Возбудимость этих клеток обусловлена процессом деполяризации клеточной мембраны в виде потенциала действия - потока ионов через специальные бел­ковые каналы.

БЛС является барьером и для гидрофобных молекул - попав в БЛС, они задерживаются в его гидрофобной фазе. Именно поэтому в клеточных мембранах накапливаются холестерол и жирорастворимые витамины

При избытке таких витаминов (А, Д, Е, К) они концентрируются в клеточных мембранах, изменяя их структуру и функции, и вызывают симптомы гипервитамииноза (повышенного уровня витамина).

В частности, для гипервитамииноза А характерны головные бо­ли, тошнота, брадикардия (снижение частоты сердечных сокраще­нии), кожная сыпь. Гипервитаминоз Д у взрослых проявляется диареей (поносом), полидипсией (сильной жаждой), полиурией (обиль­ным мочевыделением), болями в костях. У детей данный гипервитаминоз сопряжен с задержкой роста и веса, падением аппетита и адинамией (снижением двигательной активности).
БЛС не является абсолютным барьером, так как через него могут про­ходить путем диффузии мелкие незаряженные молекулы. Это облегчает транспорт через мембраны ряда физиологически важных веществ, напри­мер, кислорода, диоксида углерода (углекислого газа) и воды.

Среди малых незаряженных молекул есть опасные для клеток и организма, в частности, метанол (метиловый спирт) и этанол (эти­ловый спирт). Метанол проникает через клеточные мембраны эф­фективнее этанола из-за меньшего размера своих молекул.

Именно поэтому употребление метанола с целью опьянения вызывает более тяжелые последствия для организма. Поражая клетки нервной системы, этот спирт приводит к тяжелейшей метаноловой интоксикации (отравлению метанолом), следствием которой может быть смерть или поражение зрительных нервов, вызывающее слепо­ту.
Регуляторная функция мембранных липидов и липоидов проявляет­ся в двух аспектах. Первым из них является регуляция степени жидкостности БЛС, которая является важным параметром биомембран, определяющим их проницаемость. При уменьшении степени жидкостности снижается скорость диффузии молекул через БЛС, от которой зависит жизнедеятельность клетки (например, поступление в клетки кислорода и удаление из нее диоксида углерода).

Жидкостность - это характеристика фазового состояния БЛС, который при физиоло­гических условиях рассматривается как жидкий кристалл - жидкокристаллическая структу­ра, находящаяся в ламеллярной (пластинчатой) фазе. В зависимости от структуры липидов и внешних условий жидкостность БЛС изменяется: он может быть более твердым (низкая степень жидкостности) или более жидким (высокая степень жидкостности).

Степень жидкостности БЛС зависит от физических факторов напри­мер, температуры и давления. При увеличении температуры или умень­шении давления степень жидкостности становится большей, тогда как снижение температуры или увеличение давления приводят к обратному эффекту — степень жидкостности уменьшается.

Существенные и длительные изменения этих факторов вызыва­ют неблагоприятные последствия в отношении метаболизма клеток и всего организма. С другой стороны, изменения температуры и дав­ления можно использовать в медицинских целях при необходимости повлиять на уровень метаболизма у больного. Для этого применяют гипотермические аппараты (аппараты с пониженной температурой внутри) и барокамеры (камеры с повышенным или пониженным давлением).

Степень жидкостности БЛС при постоянных условиях определяется структурой мембранных липидов. Существенным параметром в этом отношении является величина липидных хвостов (количество атомов углерода в жирнокислотных радикалах) - при увеличении их длины сте­пень жидкостности уменьшается.

БЛС из фосфатидилхолина с остатками лауриновой кислоты (С12) становится твердо-кристаллическим при температуре 0°С и ниже (при более высокой температуре он является жидкокристаллическим). Если сконструировать БЛС из того же фосфатидилхолина, содер­жащего радикалы миристиновой кислоты (С14), он находится в жидкой фазе только при температурах выше 23°С. В целом, увеличение длины хвостов на 2 атома углерода увеличи­вает температуру фазового перехода приблизительно на 20°С.

Кроме длины липидных хвостов на степень жидкостности БЛС влияет уровень их насыщенности (предельности) - наличие двойных связей между атомами углерода — повышает степень жидкостности (снижает темпе­ратуру фазового перехода).

Например, температура фазового перехода фосфатидилхолинового БЛС, включающего насыщенную кислоту С18, составляет +58°С. Аналогичный БЛС с остатками ненасыщенной (моноеновой) олеиновой кислоты (С18) имеет температуру фазового перехода -22°С. Это вызвано тем, что ненасыщенные жирные кислоты имеют конформационный изгиб.

В результате этого липиды с такими кислотами (ненасыщенные липиды) занимают большую площадь в слое, чем липиды с насыщенными кислотами (насыщенные липиды). Благодаря этому с повышением содержания, ненасыщенных липидов в мембране уменьша­ется ее удельная плотность, но увеличивается степень жидкостности и проницаемость БЛС.

Липиды биомембран содержат хвосты длиной от С14 до С24 с высокой долей ненасы­щенных жирных кислот, соединенных со вторым углеродным атомом глицерола. Очевидно, это является результатом “эволюционного компромисса” между толщиной БЛС и степенью его жидкостности.

С одной стороны, гидрофобная фаза БЛС должна быть достаточно широкой для осу­ществления барьерной функции. С другой стороны, она должна иметь высокую степень жидкостности, допускающую диффузию малых незаряженных молекул при физиологиче­ских параметрах внешней среды. Вероятно, не случайно наиболее длинноцепочечные жир­ные кислоты мембранных липидов содержат не одну, а несколько двойных связей.

Примерами этого являются очень важная для клетки тетраеновая арахидоновая кисло­та (С 20, 4 двойных связи) и гексаеновая цервоновая кислота (С22, 6 двойных связей). У них влияние длины липидных хвостов на степень жидкостности БЛС компенсируется увеличе­нием степени ненасыщенности.

Температура фазового перехода (степень жидкостности) зависит от химической приро­ды и липидных головок. Например, фосфатидилхолиновый бислой претерпевает фазовый переход при температуре на 20°С ниже, чем фосфатидилэтаноламиновый с такими же жирнокислотными радикалами. Реально БЛС биомембран содержит смесь липидов, разли­чающихся по структуре как хвостов (длине и насыщенности), так и головок. Это позволяет ему находиться в жидкокристаллическом состоянии при определенных температурах и давлении.
Многие организмы имеют механизм поддержания оптимальной сте­пени жидкостности при изменении внешних условий. Он реализуется регуляцией количества ненасыщенных липидов в мембранах - при повы­шении их доли степень жидкостности БЛС возрастает.

В мембранах термофильных бактерий (живущих при высоких температурах, напри­мер, в горячих источниках) практически не встречаются ненасыщенные липиды. Высокая температура «разжижает» БЛС, а насыщенные липиды, напротив, снижают степень его жидкостности. В результате БЛС, состоящий только из насыщенных липидов, имеет опти­мальную для жизнедеятельности степень жидкостности при очень высоких температурах.

Температура лап у птиц, населяющих районы с постоянным снежным покровом (Арк­тика и Антарктика), заметно ниже температуры тела. Однако клеточные мембраны тканей нижних конечностей таких птиц имеют повышенное содержание ненасыщенных липидов, что компенсирует снижение степени жидкостности, вызываемое пониженной температурой.

Сходная картина наблюдается и для организмов, обитающих в условиях повышенного давления, в частности, глубоководных рыб. В этом случае уменьшение степени жидкости клеточных мембран высоким давлением также компенсируется повышенной концентрацией ненасыщенных мембранных липидов.
У человека и других млекопитающих такой механизм регуляции сте­пени жидкостности отсутствует. Тем не менее, этот параметр БЛС под­держивается стабильным в физиологических границах изменений, например, температуры. Функцию стабилизатора степени жидкостности мембран у млекопитающих выполняет холестерол.

Холестерол является амфипатической молекулой и относительно легко встраивается в БЛС. Длина молекулы данного стероида составляет порядка 1,9 нм, что соответствует величине фосфолипидов с жирными кислотами С12-С14 (лауриновая и миристиновая кисло­ты). Наличие жесткой циклической части молекулы у холестерола приводит к тому, что, находясь в липидном монослое, он ограничивает подвижность хвостов соседних с ним липидов. Такой эффект холестерола аналогичен снижению степени жидкостности БЛС.

Многие биомембраны млекопитающих содержат большое количество холестерола. Благодаря этому он делает БЛС относительно устойчивым к изменениям температуры. Упрощая механизм действия холестерола, можно считать, что он уменьшает подвижность липидных хвостов при высоких температурах, но увеличивает ее при низких. В результате сте­пень жидкостности мембран остается достаточно постоянной в физиоло­гически значимых пределах температуры окружающей среды.

В такой ситуации изменение концентрации холестерола в биомембранах приводит к изменению степени их жидкостности и проницаемости для малых незаряженных молекул. Действительно, введение холестерола в мембрану эритроцитов млекопитающих снижает степень их жидкостности и проницаемости, но до определенного предела. При соотношении молекул холестерол; фосфолипиды, превышающем 2:1, степень жидкостности мембраны уменьшалась уже значительно. В реальной ситуации это соотношение не превышает 1:1 (эритроциты - 9:10; наружные мембраны клеток - около 7:10, мембраны органоидов - порядка 1:5).

Важность регуляторной роли холестерола проявляется в том, что при старении происходит его накопление в клеточных мембранах человека. Имеется наследственная форма гипохолестеринемии (пониженного уровня холестерола в крови), обусловленная нарушением транспорта холестерола в организме. У гомозигот по этой ано­малии (блок транспорта) наблюдаются серьезные нарушения в жизнедеятельности, включающие атаксию (расстройство координации движений), акантоцитоз (эритроциты с шиловидными выростами), пигментный ретинит (форма дегенерации сетчатки глаза) и др.

Однако гетерозиготы по данной форме гипохолестеринемии характеризуются повышенной продолжительностью жизни и устойчи­востью к атеросклерозу (уплотение участков стенок артерий в результате отложения на них липоидных бляшек). У них транспорт холестерола в организме не блокирован, хотя и снижен, что, вероятно, уменьшает скорость накопления стероида в клеточных мембранах с увеличением возраста.

Пониженное содержание холестерола в клеточных мембранах также может быть причиной (или следствием) определенных патологий человека. В наружной мембране многих опухолевых клеток концентрация холестерола составляет около 50% от нормы. При этом регистрируется и повышенная степень жидкостности мембран. Введение стероида в мембраны таких клеток снижает их злокачественность.

Если мышам вводить лейкозные лимфоциты, все они погибают к 30-му дню после введения опухолевых клеток. Однако при введении таких же лимфоцитов, но после повышения концентрации холестерола в их мембранах в 1,5 раза, продолжи­тельность жизни мышей увеличивается в 3 раза.

Изменение степени жидкостности мембран используется в меди­цинских целях, в частности, для анестезии (обезболивания, например, при хирургических операциях). Местные анестетики (локально действующие препараты, вводимые уколом в ткань) анестезин, новокаин и лидокаин являются крупными гидрофобными молекулами, включающими бензольное кольцо с различными радикалами. Они, подобно холестеролу, встраиваются в БЛС наружной мембраны нейронов, снижают степень его жидкостности и уменьшают эффективность проведения болевых импульсов, т.е. вызывают анестезию.

Общие анестетики (препараты для обезболивания всего организма, поступающие в кровь при их вдыхании или путем внутривенного введения) гемиоксид азота, трихлорметан (хлороформ), трихлорэтилен, хлорэтан (этилхлорид), циклопропан и др. представ­ляют собой относительно мелкие нейтральные молекулы, которые хорошо входят в БЛС. Однако, в противоположность местным анестетикам, они не снижают, а повышают степень жидкостности мембраны нейронов. Благодаря этому проведение болевых импульсов также становится менее эффективным, что вызывает анестезию.

Действие общих анестетиков прекращается быстрее в условиях повышенного атмосферного давления, которое уменьшает степень жидкостности БЛС. Если опери­рованный под действием общих анестетиков больной задерживается с выходом из наркоза, этот процесс можно ускорить в барокамере с повышенным давлением.

Достаточно легко встраиваются в клеточные мембраны инертные газы, увеличивая степень их жидкостности. Водолазы на большой глубине подвергаются действию повышенного давления. Дыхательная смесь им подается тоже под большим давлением, что вызывает уменьшение степе­ни жидкостности клеточных мембран. Для предотвращения этого в дыха­тельную смесь включают химически неактивные инертные газы, например, гелий.

При быстром подъеме водолаза с большой глубины молекулы газов интенсивно выходят из клеточных мембран, образуя пузырьки в крови и тканях. В результате развивается кессонная болезнь — серь­езное патологическое состояние организма, проявляющееся мышечно-суставными болями, расстройствами кровообращения и нервной системы. Для предотвращения кессонной болезни водолаза необхо­димо срочно поместить в барокамеру с высоким давлением и сни­жать давление, имитируя нормальный режим подъема с большой глубины.

Второй аспект регуляторной функции мембранных липидов - это их влияние на функции мембранных белков. Большинство мембранных бел­ков биологически активно только в БЛС. Примером этого является глюкозо-6-фосфотаза, теряющая свои каталитические свойства после удаления из мембраны эндоплазматической сети. Аналогичным образом ведут себя активные переносчики Са²⁺ (наружная клеточная мембрана) и Н⁺ (мембрана лизосом).

Некоторые мембранные белки функционируют не просто в БЛС, а требуют для своей активности взаимодействия с определенными липидами и липоидами. К таким белкам относится активный переносчик Nа⁺ и К⁺ (Nа⁺/К⁺-насос), который действует только в комплексе с фосфатидилсерином и холестеролом.

Мембранные белки, находясь в БЛС, могут быть исходно неактивны­ми, но активироваться производными мембранных липидов, которые в норме клеточные мембраны не содержат. Примером такого белка являет­ся фермент наружной клеточной мембраны протеинкииаза С. Она акти­вируется взаимодействием с диацилглицеролом, который образуется в мембране только при определенных условиях расщеплением фосфатидилинозитола. Эта реакция катализируется мембранной фосфолипазой С.

Степень активности мембранных белков нередко зависит от сте­пени жидкостности БЛС мембраны. В частности, общие анестетики разжижают БЛС и усиливают активность Nа⁺/К⁺ -насоса, чем и объ­ясняется эффект общей анестезии (состояния наркоза с потерей бо­левой чувствительности). При уменьшении степени жидкостности БЛС активность Nа⁺/К⁺-насоса становится меньше нормы, чем мож­но объяснить один из механизмов действия местных анестетиков.

Мембранные липиды могут регулировать не только активность, но и положение белков в БЛС, взаимодействуя с ними гидрофильными голов­ками или гидрофобными хвостами. Более того, некоторые белки образуют ковалентные связи с головками липидов, т.е. фиксируются в БЛС как липопротеины.

В составе клеточных мембран находится большое количество мем­бранных белков, которые взаимодействуют с БЛС различными способами. Их первичная структура чрезвычайно разнообразна, однако на более вы­соких уровнях организации (вторичная и третичная структуры) можно отметить некоторые особенности их конформации (пространственной организации).

Белки, взаимодействующие только с головками мембранных липидов, являются, как правило, глобулярными (сферическими). Белки, контакти­рующие с гидрофобной фазой БЛС (липидными хвостами) имеют фибриллярные (нитевидные) домены (участки, представленные гидрофобными альфа-спиральными районами молекулы. Многие из них со­держат и глобулярные домены, расположенные вне БЛС и являющиеся продолжением фибриллярных доменов.

Среди мембранных белков есть белки с четвертичной структурой, т.е. состоящие из нескольких полипептидов, взаимодействующих между со­бой нековалентными связями. В частности, такими белками являются Na/К-насос и большая группа гуанилатсвязывающих белков (G-белков). Кроме простых белков в биомембранах находятся их производные - белки, связанные ковалентно с небелковыми компонентами. По своей структуре, такие молекулы являются гликопротеинами (с углеводным компонентом), липопротеинами (с липидным компонентом) и ацилпро-теинами (с компонентом в виде жирных кислот).

В клеточных мембранах белки выполняют целый ряд функций, ис­ключая структурную. Доказательством этого являются эксперименты по экстрагированию (удалению) белков из клеточных мембран, после чего мембраны сохраняют свою целостность.

Во всех клеточных мембранах встречаются белки-ферменты,- белки с каталитической функцией. По типу реакции, которую они катанизируют, ферменты подразделяют на 6 классов (в соответствии с международной классификацией ферментов - МКФ).
Первый класс (ФК.1) представлен оксидоредуктазами, катализирующими окислитель­но-восстановительные реакции: А_{ОКИСЛИТ} + В_Восст-> А_восст + В_{Окислит}. Выделяют 5 групп оксидо-редуктаз: оксидазы, аэробные дегидрогеназы, анаэробные дегидрогеназы, гидроксипероксидазы и оксигеназы.

Оксидазы катализируют перенос водорода на молекулу кислорода с образованием во­ды: АН₂ + О₂ -> А + Н₂О₂. Аэробные дегидрогеназы катализируют аналогичные реакции, но с образованием пероксида водорода: АН₂ + О₂ -> А + Н₂О₂. Анаэробные дегидрогеназы катализируют перенос водорода с одного субстрата на другой, исключая кислород: АН₂ + В -> А + ВН₂. Гидроксипероксидазы катализируют реакции с участием пероксида водорода: АН₂ + Н₂О₂ -> А + Н₂О (пероксидазы) или Н₂О₂ -> Н₂О + О₂ (каталазы). Оксигеназы катализируют прямое введение кислорода в субстрат: А + О₂ -> АО₂ (диоксигеназы) или А + О₂ + BH₂ -> АОН + Н₂О + В (монооксигеназы, или гидроксилазы).

Второй класс ферментов (ФК.2) представлен трансферазами. Эти ферменты катализи­руют перенос химических групп (исключая водород, что делают оксидоредуктазы) с одного субстрата на другой: АХ + В -> А + ВХ.

Третей класс ферментов (ФК.3) представлен гидролазами, которые катализируют рас­щепление различных ковалентных связей с использованием молекулы воды, т.е. реакции гидролиза: АВ + Н₂О -> АН + ВОН. В зависимости от гидролизуемых субстратов, гидро­лазы обозначают как нуклеазы (гидролазы нуклеиновых кислот: ДНКазы и РНКазы), протеиназы (гидролазы белков; пептидазы и протеазы), гликозидазы (гидролазы олиго и полисахаридов), липазы (гидролазы липидов).

Четвертый класс ферментов (ФК.4) представлен лиазами, катализирующими реакции отщепления химических групп от субстрата с образованием двойной связи или обратную реакцию: XA-BY -> А=В + XY.

Пятый класс ферментов (КФ.5) объединяет изомеразы, которые катализируют реакции взаимного превращения изомеров всех типов: структурных (скелетных и позиционных) и пространственных (стереоизомеров).

Шестой класс ферментов (КФ.6) представлен лигазами. Они катализируют соединение двух молекул, сопровождающиеся расщеплением АТФ или других фосфатных макроэргов.
В клеточных мембранах обнаруживаются ферменты практически всех классов. С этой точки зрения, биомембраны осуществляют каталитиче­скую функцию.

Еще одной функциональной группой мембранных белков являются транспортные белки, обеспечивающие перенос ионов имолекул через" клеточные мембраны. В простейшем случае они представлены одним полипептидом, в более сложных - несколькими одинаковыми (гомомер-ный белок) или разными (гетеромерный белок) полипептидами. Доста­точно условно транспортные белки подразделяют на каналы, переносчики и транслокационные комплексы.
Через каналы, как правило, происходит диффузия ионов и мелких гидрофильных мо­лекул. Переносчики осуществляют транспорт ионов, малых и средних органических моле­кул путем изменения своей конформации.

Переносчики, транспортирующие молекулы по градиенту концентрации, называют пассивными переносчиками, или транспортерами Переносчики, осуществляющие транс­порт против градиента концентрации, обозначают как активные переносчики, или насосы (помпы). Некоторые переносчики способны транспортировать несколько разных видов молекул или ионов. Они получили название сопряженных переносчиков.

Транслокационные комплексы - это комплексы, осуществляющие транспорт биополи­меров: полипептидов и полинуклеотидов.
Транспортные белки, как и ферменты, представлены во всех клеточ­ных мембранах, благодаря чему биомембраны выполняют транспортную функцию.

Важной в функциональном отношении группой мембранных белков являются рецепторные белки, или рецепторы. Строение мембранных рецепторов может быть разным, но все они выполняют одинаковую функцию - реагируют на физические и химические сигналы. Приняв сиг­нал с одной стороны мембраны и изменив свою конформацию, рецепто­ры вызывают определенные реакции по другую сторону мембраны. Рецепторы обнаружены в большинстве клеточных мембран, которые, соответственно, осуществляют рецепторную функцию.

Во многих клеточных мембранах присутствуют контактные белки, структура которых отличается многообразием. Они могут обеспечивать физическое взаимодействие между мембранами разных клеток - цитоадгезию. Такие белки объединяют в группу клеточных адгезивных молекул. Другая группа контактных белков фиксирует отдельные белковые моле­кулы или надмолекулярные структуры (например, рибосомы) на мембра­нах. Их называют причальными белками. Наличие контактных белков в клеточной мембране позволяет говорить о ее контактной функции.

Различные биомембраны характеризуются разными наборами белков, которые могут быть ферментами, транспортными белками, рецепторами, контактными белками. Кроме того, в мембранах одинаковых клеток раз­ных организмов могут обнаруживаться различные структурные варианты одних и тех же белков.

Вне зависимости от функций таких белков, их называют маркерные. Благодаря наличию специфических мембранных белков можно определять принадлежность мембран к тем или иным клеточным структурам. С этой точки зрения, биомембраны осуществляют маркер­ную, или индивидуализирующую, функцию.

наверх