Изучение химической организации клетки

 

В двойной слой липидов  на различную глубину погружены  мембранные белки, составляющие более 50% массы мембраны, и удерживаются в нём за счёт гидрофобных взаимодействий с молекулами липидов. Мембранные белки обеспечивают специфические свойства мембраны (типы белков и их содержание в мембране отражают её функцию) и играют различную биологическую роль (переносчиков, ферментов, рецепторов и структурных молекул).

Мембранные белки связываются  с мембранами разными способами. Ассоциация некоторых периферических мембранных белков с поверхностью мембраны осуществляется при помощи электростатических и гидрофобных нековалентных взаимодействий. Также белки прикрепляются к мембране с помощью ковалентно связанных с ними липидов. По своему расположению относительно липидного бислоя мембранные белки разделяются на две основные группы – интегральные и периферические.

 

Периферические белки  непрочно связаны с поверхностью мембраны и обычно находятся вне  липидного бислоя. Интегральные белки либо полностью (собственно интегральные), либо частично (полуинтегральные белки) погружены в липидный бислой; часть белков пронизывает мембрану насквозь (трансмембранные), контактируя при этом как с наружной, так и с внутренней средой клетки.

Интегральные белки имеют  вид округлых внтуримембранных частиц, большая часть которых связана с P-поверхностью (от англ. protoplasmic) – протоплазматической, то есть ближайшей к цитоплазме поверхности, меньшая – на E-поверхности (от англ. external) – наружной, более близкой к внешней среде.

Часть белковых частиц связана  с молекулами олигосахаридов (гликопротеины), которые выступают за пределы наружной поверхности мембраны, другая имеет липидные боковые цепи (липопротеины). Молекулы олигосахаридов связаны также с липидами в составе гликолипидов. Углеводные участки гликолипидов и гликопротеинов придают поверхности клетки отрицательный заряд и образуют основу надмембранного слоя — гликокаликса (glykocalyx). Толщина этого слоя около 3-4 нм, он обнаружен практически у всех животных клеток, но степень его выраженности различна. Гликокаликс представляет собой ассоциированный с мембраной гликопротеиновый комплекс, в состав которого входят различные углеводы. Углеводы образуют длинные, ветвящиеся цепочки полисахаридов, связанные с белками и липидами, входящими в состав мембраны. При использовании специальных методов выявления полисахаридов (краситель рутениевый красный) видно, что они образуют как бы чехол поверх плазматической мембраны. Гликокаликс играет важную роль в обеспечении барьерной функции плазмолеммы. Также могут в состав гликокаликса могут входить белки, не связанные непосредственно с билипидным слоем.  Это белки-ферменты, участвующие во внеклеточном расщеплении различных веществ, таких как углеводы, белки, жиры и др.

 

 

 

                          АСИММЕТРИЯ ПЛАЗМОЛЕММЫ

Множество факторов свидетельствует  о гетерогенности биологических  мембран как в продольном, так и в поперечном направлениях. Трансмембранная асимметрия означает, что разные половины бислоя имеют разный состав. Установлено, что интегральные мембранные белки встроены в мембрану асимметрично и эта асимметрия стабильна. Таким образом, к цитоплазматической и наружной поверхностям мембраны обращены разные белковые домены. Получено множество данных, (в первую очередь на эритроцитах) о том, что совершенно разным может быть и фосфолипидный состав двух половин бислоя. Как создается эта липидная асимметрия и за счет чего она поддерживается – пока неясно, хотя имеются данные о существовании АТР-зависимых транслоказ, которые ускоряют перенос липидов через бислой.

Имеются данные и о латеральной гетерогенности биологических мембран. «Это могут быть достаточно обширные специализированные участки мембраны, например апикальная или базолатеральная области плазматической мембраны поляризованных эпителиальных клеток. Примером того, как в пределах одной мембраны соседствуют области с разным составом и функциями, могут служить менее протяженные соприкасающиеся и не соприкасающиеся участки тилакоидной мембраны»[3]. Всё это показывает, что молекулярная организация мембран гораздо сложнее, чем это следует из жидкостно-мозаичной модели, первоначально предложенной Сингером и Николсоном.

 

ЦИТОРЕЦЕПТОРЫ

Взаимодействия клетки с  её окружением осуществляется при участии  специальных структур, локализованных на плазмолемме – рецепторов. Функции  этих рецепторов существенно различаются. Одни из них определяют адгезивные свойства клеток по отношению к другим клеткам или компонентам внеклеточного  матрикса. Другие участвуют в системах сигнал/ответ или в импорте  макромолекул в цитоплазму. Существуют рецепторы к биологически активным веществам — гормонам, медиаторам, к специфическим антигенам разных клеток или к определенным белкам.

Большинство рецепторов представляют собой белки, их агрегаты и комплексы  с нуклеиновыми кислотами и низкомолекулярными веществами.

 

«Сравнение аминокислотной последовательности рецепторов показывает, что многие из них могут быть сгруппированы в суперсемейства структурно родственных, но функционально различающихся белков. Например, многие рецепторы, участвующие в межклеточной адгезии, принадлежат к суперсемейству иммуноглобулинов IgG. Интегрины составляют другое суперсемейство, включающее в себя множество рецепторов для внеклеточных компонентов матрикса»[4].

Рецепторами на поверхности  клетки могут служить гликопротеиды  и гликолипиды мембран.

В соответствии с современными представлениями об асимметрическом  строении плазмолеммы рецепторные  макромолекулы могут находиться на её поверхности, пронизывать всю  толщу мембраны или находиться с  внутренней стороны мембраны.

Эксперименты по выделению  и идентификации рецепторов позволили  установить, что рецепторы для  нейромедиаторов являются белками, прочно связанными с мембранами.

В процессах рецепции важная роль принадлежит мембранным липидам, образующим более или менее прочные  связи с рецепторными белками. «Роль липидов как модуляторов и регуляторов рецепторов хорошо известна (например, в случае участка узнавания гликопротеиновым рецептором тиреотропного гормона, серотонина и др.)»[4].

 

Липиды принимают участие в узнавании рецепторами некоторых лигандов и оказывают регулирующее влияние на конформацию рецепторов. Липиды могут быть ответственны за сопряжение рецепторов с эффекторными системами. Данных о том, что липиды могут быть рецепторами, пока нет.

«В то же время следует отметить, что, хотя и в меньшем количестве, чем на плазматических мембранах, в процессе эволюции образовались рецепторы для физиологически активных веществ, локализованные внутри клеток»[4].

Лиганды этих рецепторов обладают способностью проникать через биомембраны за счет своих гидрофобных свойств путем пассивной диффузии или вследствие функционирования специальных систем переноса (например, пиноцитоза или эндоцнтоза; часто с участием рецепторов плазматических мембран). «По-видимому, биологический смысл такой внутриклеточной рецепции заключается в более глубоком и продолжительном изменении функции клетки в ответ на получение внешнего сигнала»[4].

 

В соответствии со своей  локализацией рецепторы делятся  на: поверхностные и внутриклеточные, а внутриклеточные подразделяются на цитоплазматические и ядерные.

Поверхностные рецепторы образованы поверхностными белками цитомембран, а также гликокаликсом. Они предназначаются для полярных лиганд, т.е. веществ, которые не могут проникнуть через клеточную мембрану внутрь клетки и оказывают свое действие на нее через систему внешних рецепторов и вторичных посредников. Подразделяются на каталитические рецепторы, рецепторы, связанные с ионными каналами, рецепторы, связанные с G-белками, и рецепторы, связывающие молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом.

Гликокаликс образует своеобразные «антенны», которые состоят из нескольких моно(олиго)сахаридных участков. Эти участки имеют разную конфигурацию, благодаря чему могут связываться с самыми различными химическими веществами. «Антенны» распознают различные внешние сигналы: молекулы гормонов, нейромедиаторов, факторов роста, цитокинов, генетически чуждые вещества и др. «В качестве примера можно привести протеинкиназы (например, тирозинкиназа). Эти ферменты активируют внутриклеточные белки, что ведет к образованию второго посредника (мессенджера), передающего внешние сигналы в клетку, изменяя её метаболизм, усиливая или ослабляя обмен веществ, синтез секрета. Так построены рецепторы инсулина, факторов роста и др»[5].

Мембранные рецепторы  могут изменять проницаемость мембран  для ионов, что ведет к формированию электрического импульса (рецепторы  к нейромедиаторам). Это так называемые рецепторы, связанные с ионными каналами.

Рецепторы также контролируют поступление в клетку различных  молекул, связывают молекулы внеклеточного  матрикса с компонентами цитоскелета (рецепторы, связывающие молекулы внеклеточного матрикса с цитоскелетом). К таким рецепторам относят, например, интегрины. Интегрины – трансмембранные белки, воспринимающие молекулы внеклеточного матрикса, в частности, фибронектина и ламинина. В свою очередь, фибронектин связывается с другими молекулами внеклеточного матрикса (фибрином, коллагеном, гепарином и др.), а интегрин при помощи ряда других белков – с цитоскслетом. Таким образом, влияние молекул внеклеточного матрикса может передаваться на компоненты цитоскелета. Под влиянием раздражения этого вида рецепторов может изменяться состояние подмембранного слоя, и клетка может начать движение, а также экзоцитоз, эндоцитоз и другие виды деятельности.

 

 Поверхностные рецепторы – рецепторы, связанные с G-белками. Это трансмембранные белки, которые могут быть связаны либо с ионным каналом, либо с ферментом. Состоят из двух частей: рецепторной, взаимодействующей с сигнальными молекулами, и субъединиц G-белка α, β, γ. G-белки – белки, связывающие гуанозинтрифосфат (ГТФ). После связывания с сигнальной молекулой комплекс G-белков передает сигнал на ассоциированный с цитолеммой фермент аденилатциклазу, которая синтезирует вторичный посредник циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). В качестве вторичного посредника могут выступать и молекулы кальция. Через рецепторы, связанные G-белками, опосредуется действие на клетку подавляющего большинства гормонов и нейромедиаторов.

 

ФУНКЦИИ ПЛАЗМОЛЕММЫ 

Эта мембрана выполняет ряд важнейших клеточных  функций, ведущими из которых являются барьерная функция (разграничения  цитоплазмы с внешней средой), функции  рецепции и транспорта различных  веществ как внутрь клетки, так  и из нее. С плазмолеммой связана локализация специфических рецепторов, отвечающих за такие важные процессы, как взаимное распознавание клеток, развитие иммунитета, рецепторов, реагирующих на физические факторы. Основные функции клеточных мембран заключаются в отделении содержимого клеток от внешней среды, в создании внутренней архитектуры клетки, поддержании градиента концентраций и электрохимического градиента, осуществлении транспорта веществ. Это- барьерная, транспортная, осмотическая, структурная, энергетическая, биосинтетическая, секреторная, рецепторно-регуляторная и другие функции.

Благодаря барьерной функции мембраны в клетке создается гетерогенная физико-химическая среда, и на разных сторонах мембраны происходят разнообразные, часто противоположно направленные биохимические реакции. Наряду с барьерной функцией мембрана осуществляет трансмембранный перенос ионов и различных метаболитов в ходе пассивного (по химическому и электрохимическому градиентам) или активного транспорта (против электрохимического градиента с затратой энергии).

Осмотическая функция мембраны связана с регуляцией водного обмена клетки. Благодаря структурной функции поддерживается основа мембран, и упорядоченно располагаются полиферментные комплексы, контактирующие с фосфолипидами. Для этого контакта и сохранения активности ферментов важно, чтобы находящиеся в непрерывном движении липиды находились в жидком агрегатном состоянии. «Затвердевание» липидов, связанное с качественными перестройками в их жирнокислотном составе, приводит к нарушению липидного окружения белков-ферментов, в результате чего их функции нарушаются.

Энергетическая функция мембран определяется аккумуляцией и трансформацией энергии.

Биосинтетическая  функция связана с синтезами различных веществ. Участие в секреторных процессах также характерно для мембраны. Так, плазмолемма активно взаимодействует с везикулами, производными аппарата Гольджи и эндоплазматического ретикулума.

Рецепторно-регуляторная функция определяется наличием в мембране хемо-, фото- и механорецепторов белковой природы, воспринимающих сигналы из внешней и внутренней среды и способствующих возникновению ответных реакций на изменение условий существования.

Также плазмолемма участвует в межклеточных взаимодействиях: формирование межклеточных контактов, дистантные взаимодействия между клетками.

Мембраны обеспечивают и  облегчают межклеточную и внутриклеточную  передачу информации. Мембрана – это место, где молекулярная информация воспринимается, преобразуется и передаётся далее в клетку.

« Например, нормальные клетки, растущие в чашке Петри, прекращают деление, когда поверхность чашки полностью покрыта клетками, и все они соприкасаются друг с другом (т.н. «монослой»). Наоборот мутантные клетки, которые утратили способность к восприятию сигнала контактного торможения, продолжают расти, и формируют слой за слоем. Клетки с такими свойствами образуют опухоли»[6].

Мембраны обеспечивают образование  тканей с помощью межклеточных контактов.

            ПЕРЕНОС (транспорт) ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ ПЛАЗМОЛЕММУ

Основная функция любой  биологической мембраны состоит  в создании барьера с селективной  проницаемостью. Так, выполняя транспортную функцию, плазмолемма обеспечивает пассивный перенос ряда веществ, например воды, ионов, некоторых низкомолекулярных  соединений. Другие вещества проникают  через мембрану путем активного  переноса против градиента концентрации с затратой энергии за счет расщепления  АТФ.