Молекулярная организация (жидкостно-мозаичная модель) и химический состав

Биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток, а также участвуют в формировании многочисленных внутриклеточных органелл. Наружную оболочку клетки называют клеточной или плазматической мембраной. Часто используется еще один термин - плазмалемма. Если принять общую площадь всех мембран клетки, например, гепатоцита (клетка печени) за 100%, то оказывается, что плазматическая мембрана составляет только 2%. Наибольшая же площадь 51% приходится на мембраны эндоплазматического ретикулума, т.е. на внутриклеточные мембраны. Мембраны митохондрий в сумме составляют 39% из них 32% приходится на внутреннюю мембрану и 7% на наружную. На мембраны аппарата Гольджи также приходится около 7% и только 0,2% приходится на долю ядерной мембраны. Немногим больше, примерно 0,4% от площади всех мембран клетки составляют лизосомальные мембраны. Все клеточные мембраны построены по единому принципу. Они представляют собой эластичные структуры, толщиной от 7 до 11 нм и состоящие, в основном, из липидов и белков. От 40 до 90% всех липидов составляют фосфолипиды, которые можно разделить на две большие группы: фосфоглицериды, главным образом, фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин и сфинголипиды или сфингомиелины. Фосфоглицериды представляют собой сложные эфиры глицерина у которых, в отличие от жиров (триацилглицеринов), одна из трех спиртовых групп глицерина связана не с жирной, а с фосфорной кислотой, которая в свою очередь связана с соответствующей группой - холином, этаноламином или серином. Среди жирных кислот входящих в состав фосфоглицеридов, обнаружены как насыщенные (пальмитиновая С₁₆, стеариновая С₁₈), так и ненасыщенные (олеиновая С_18-1, линолевая С_18-2, линоленовая С_18-3, арахидоновая С_20-4). В природных фосфоглицеридах одна кислота является обычно насыщенной, другая ненасыщенной. Ненасыщенная жирная кислота всегда находится во 2 положении глицерина, при этом кислота несколько изогнута, поскольку двойная связь обусловливает жесткий изгиб углеводородной цепи. Алифатические цепи большинства природных ненасыщенных жирных кислот находятся в цис-форме. Транс-форма двойной связи (полностью вытянутая) встречается чрезвычайно редко.

Характерной особенностью фосфолипидов является то, что они амфифильны, т.е. имеют полярные, гидрофильные головки и неполярные, гидрофобные жирнокислотные хвосты. Благодаря амфифильности молекулы фосфолипидов помещенные в водную среду самопроизвольно образуют упорядоченные структуры: мицеллы и липосомы. В состав сфинголипидов

Рис. 1 Фосфатидилхолин

входит ненасыщенный аминоспирт сфингозин (глицерина эти липиды не содержат). Углеродная цепь сфингозина содержит 18 атомов С. По своей конформации сфингофосфолипиды весьма сходны с глицерофосфолипидами, тем, что их молекулы также содержат полярную головку и два гидрофобных хвоста., поскольку аминоспирт сфингозин связан амидной связью с длинноцепочечной жирной кислотой.

Мицеллы, это надмолекулярные в сферические образования в которых молекулы фосфолипидов расположены таким образом, что их вытянутые жирнокислотные хвосты плотно прилегают

друг к другу и направлены от периферии к центру, а полярные головки образуют внешнюю поверхность мицеллы.

Липосомы это тоже сферические образования, имеющие внутри полость, ограниченную двойным слоем (бислоем) фосфолипидных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные углеводородные хвосты упорядоченно контактируют друг с другом, а полярные головки направлены наружу, в водную фазу. Тип надмолекулярных структур, образуемых фосфолипидами в водной фазе зависит как от условий среды (рН, ионная сила), так и от количества и физико-химических свойств фосфолипидных молекул.

Кроме фосфолипидов в мембранах присутствуют в значительном количестве стерины (стеролы), в первую очередь холестерин (около 30% от массы всех липидов). Эти соединения являются ярко выраженными неполярными гидрофобными соединениями. Особенно много стеринов находится в плазмалемме, но в мембранах митохондрий и других органелл их довольно мало. Много холестерина обнаружено в миелиновой оболочке нервов.

Существует множество различных типов мембран, несущих различную функциональную нагрузку и отличающихся по структуре и молекулярной организации. Тем не менее, в настоящее время твердо установлено, что структурной основой всех биологических мембран является двойной слой фосфолипидных молекул. Плотность упаковки фосфолипидных молекул в мембране зависит от их жирнокислотного состава. Наличие в остатках жирных кислот цис двойных связей приводит к значительному разрыхлению фосфолипидного бислоя. Если в состав фосфолипидов входят более насыщенные жирные кислоты упаковка липидов бислоя становится более плотной. Еще более плотным фосфолипидный бислой становится благодаря наличию в мембранах неполярных стеринов, которые внедряются в мембрану между углеводородными хвостами и полярными головками фосфолипидов. Кроме фосфолипидов и стеринов в мембранах содержатся различные гликолипиды. Простейшие гликолипиды называются цереброзиды. Головку молекулы у них образует полярная гидрофильная углеводная группа, чаще всего галактоза (иногда глюкоза), а неполярная часть представлена длинноцепочечными хвостами сфингозина и этерифицированной жирной кислоты. Цереброзиды в большой концентрации содержатся в белом веществе мозга. Другой большой клас гликосфинголипидов, т.н. ганглиозиды – это сложные богатые углеводами и сиаловыми кислотами молекулы крупного размера (мол. м. до 3000). Они особенно многочисленны в сером веществе мозга, участвуют в создании микроокружения синапсов и медиаторных рецепторов. Гликолипиды всегда располагаются на наружной поверхности мембраны, а их гидрофильный олигосахаридный фрагмент выступает в окружающую среду.

Двойной слой фосфолипидных молекул в биологических мембранах не является застывшим, фиксированным образованием. Во-первых, в мембранах постоянно происходит обновление жирнокислотных остатков (ацильных групп) фосфолипидов. Во-вторых, компоненты мембраны находятся в постоянном движении. Так молекулы фосфолипидов быстро перемещаются относительно друг друга. Этот процесс называется латеральная диффузия. В свою очередь ацильные группы изгибаются и находятся в постоянном вращении. Значительно реже в мембранах происходит перенос (транслокация) молекул фосфолипидов с одного слоя на другой, так называемое явление «флип-флоп». В зависимости от температуры фосфолипиды могут находится в разных фазовых состояниях. При физиологических температурах основная часть мембранных фосфолипидов находится вжидкокристаллическом состоянии. С понижением температуры происходит фазовый переход в гелеобразное (твердое) состояние. Температура фазового перехода зависит от состава липидного бислоя, рН и ионного состава среды, однако для большинства биологических мембран фазовый переход происходит при температуре ниже 0 ^оС.

Проведенные исследования и расчеты показали, что содержание липидов в мембранах, в частности плазматической мембране эритроцитов, достаточно лишь для покрытия 75% клеточной поверхности. Остальная площадь приходится на долю белков. Белки являются важнейшими компонентами мембран, обусловливающими ферментативную активность и селективность мембран (избирательную проницаемость, т.е. способность пропускать одни молекулы или ионы и задерживать другие). Мембранные белки являются, в основном, глобулярными гликопротеидами. Считают, что эти белки амфифильны, т.е. в их структуре присутствуют гидрофобные и гидрофильные участки. Они интегрированы в состав мембран таким образом, что их гидрофобные группы погружены в липидный бислой, а полярные выступают из сердцевины мембраны, образуя гидрофильную поверхность из заряженных аминокислотных группировок в водной фазе. Некоторые белки могут пересекать мембрану, выступая как с внутренней ее стороны так и с внешней или быть только частично погруженными, удерживаясь благодаря гидрофобным взаимодействиям. В обоих случаях их называют интегральными. Белки, которые с какой-либо стороны прикреплены к мембране, но внутрь липидного бислоя не проникают, называются периферическими. Периферические белки почти все функционируют как ферменты. Интегральные белки обеспечивают селективный перенос ионов и транспорт крупных молекул через мембраны, но некоторые из интегральных белков являются ферментами, например Na⁺,K⁺-АТФ-аза. Рассмотренная молекулярная структура мембран (рис. 2) получила название жидкостно-мозаичная.

Между наружными и внутриклеточными мембранами есть существенные различия. Они касаются как липидного состава (напр. в плазмалемме намного больше холестерина и иное соотношение фосфолипидов), так и белкового. Наружная мембрана имеет с внешней стороны своеобразную «шубу», образованную гидрофильными углеводными хвостами гликолипидов и гликопротеинов, называемую гликокаликсом, а с внутренней –цитоскелет. Эти структуры обеспечивают дополнительную прочность клеточным мембранам и участвуют в выполнении специальных функций. Гликокаликс обеспечивает распознавание клетками друг друга и склеивает клетки при образовании тканей.