МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ (от латинского membrana-кожица, перепонка), сложные высокоорганизованные надмоле-кулярные структуры, ограничивающие клетки (клеточные, или плазматических, мембраны) и внутриклеточные органоиды -митохондрии, хлоропласты, лизосомы и др. Представляют собой пленки толщиной 5-10 нм, состоящие главным образом из белков и липидов. Отношение липиды: белки (по массе) колеблется от 4:1 (мембрана миелина) до 1:3 (внутр. мембрана митохондрий). МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. содержат также углеводы (до 10% от сухого вещества по массе), которые, как правило, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов. В некоторых специали-зир. МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. в заметных кол-вах могут присутствовать также хиноны (например, убихиноны), каротиноиды, ретиноиды (рети-нол, ретиналь и др.), токоферолы, долихолы (содержат 16-20 пренильных остатков, из которых концевой, несущий группу ОН, полностью насыщен) и порфирины. Ок. 20% всей массы мембраны составляет прочно связанная вода. С мембранами связываются также катионы, преимущественно Са²⁺ и Mg²⁺, входящие в хелатные комплексы.

Важнейшая функция МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б.-регуляция обмена веществ между клеткой и средой, а также между различные отсеками (компарт-ментами) внутри самой клетки.

Липиды мембран. Основные липидные компоненты МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб.-фос-фолипиды, гликолипиды и стерины. Каждая группа этих липидов представлена большим числом разнообразных соединений. Так, в мембране эритроцитов человека содержится не менее 20 различные представителей основные фосфолипида этой мембраны - фосфатидилхолина; в целом же в мембране эритроцитов идентифицировано около 200 различные липидов.

В клетках млекопитающих плазматических мембраны обогащены холестерином и гликосфииголипидами, тогда как мембраны органоидов содержат эти липиды в малых ко-лвах. Наиб. распространенные липиды, имеющие цвиттер-ионную структуру, в большинстве мембран клеток млекопитающих-фосфатидилхолин и сфингомиелин (в митохондри-альных мембранах - фосфатидилэтаноламин). Дифосфати-дилглицерин в значительной кол-вах присутствует только в мембранах митохондрий (в основные в их внутр. мембране). В плазматических мембранах содержание фосфатидилсерина обычно больше, чем фосфатидилинозита (фосфоинозитида), для внутриклеточных мембран характерно обратное соотношение. В мембранах миелина широко представлены цереб-розиды. Др. плазматических мембраны содержат, как правило, более сложные гликолипиды, такие, например, как ганг-лиозиды. Фосфатидилэтаноламин в мембранах миелина и тромбоцитов находится преимущественно в плазмалогеновой форме.

Мембраны клеток высших растений и дрожжей по ли-пидному составу во многом сходны с соответствующими мембранами клеток млекопитающих. Однако в них совсем нет сфингомиелина, а фосфатидилсерин присутствует лишь в следовых кол-вах. Главные стерины мембран растит. клеток - ситостерин и стигмастерин, мембран грибов и дрожжей - эргостерин и зимостерин. Мембраны хлороплас-тов фотосинтезирующих растений и синезеленых водорослей близки по своему липидному составу и содержат моно-и дигалактозилдиацилглицерины, 6-сульфохиновозилдиа-цилглицерин и фосфатидилглицерин.

Мембраны бактерий, как правило, имеют более простой липидный состав, чем мембраны растит. и животных клетоколо Все бактерии, за исключением микоплазм, не содержат стеринов. Фосфолипиды мембран грамположит. бактерий представлены главным образом фосфатидилглицерином и его ами-ноациальными производными, а также дифосфатидилгли-церином. В небольшом количестве в этих мембранах нередко встречается фосфатидилинозит. У грамотрицат. микроорганизмов в составе мембранных фосфолипидов преобладает Фосфатидилэтаноламин. Фосфатидилхолин в бактериальных мембранах либо совсем не содержится, либо присутствует в малых кол-вах. Содержание фосфатидилсерина в этих мембранах обычно также незначительно. Широко представлены в бактериальных мембранах различные гликозил-диацилглицерины.

Основные компоненты мембран оболочечных вирусов (вирус гриппа, лейковирусы, вирус стоматита), как и плазматических мембран клеток животных,-фосфатидилхолин, сфингомие-лин, Фосфатидилэтаноламин и холестерин.

Липидный состав клеточных мембран изменчив. В меньшей степени это проявляется в животных клетках, находящихся в условиях стабильной внутр. среды. Однако и в этом случае можно модифицировать состав липидов в некоторых мембранах, меняя пищевая рацион. Липидный состав мембран растений заметно изменяется в зависимости от освещенности, температуры и рН. Еще более изменчив состав бактериальных мембран. Он варьирует не только в зависимости от штамма, но и в пределах одного и того же штамма, а также от условий культивирования и фазы роста. У вирусов, имеющих липопротеиновую оболочку, липидный состав мембран также не постоянен и определяется составом липидов клетки-хозяина.

Липиды-основные строит. материал, из которого формируются клеточные мембраны. Сложность, многообразие и изменчивость липидного состава мембран позволяет предположить, что они участвуют также в регуляции важнейших мембранных процессов.

Мембранные белки. Мол. масса мембранных белков обычно варьирует в пределах от 10 тысяч до 240 тысяч Они значительно различаются между собой по прочности связывания с мембраной. Белки, называют периферич. или поверхностными, сравнительно слабо связаны с мембраной и отделяются от нее в мягких условиях, например в растворах, имеющих высокую ионную силу или содержащих комплексоны. Намного прочнее связаны с мембраной так называемой интегральные, или внутримембранные, белки (см. рис.). Чтобы их выделить, требуется, как правило, предварительно разрушить мембрану с помощью ПАВ или органическое растворителей.

Периферич. белки по своим свойствам мало отличаются от обычных водорастворимых белков. Характерная особенность интегральных белков - плохая растворимость в воде и склонность к образованию ассоциатов. Их удается перевести в раствор при добавлении ПАВ, иногда с помощью органическое растворителей (например, 2-хлорэтанола, бутанола, ДМФА).

Особенность интегральных белков - наличие в их поли-пептидной цепи довольно протяженных участков с преобладающим содержанием неполярных аминокислот. Как правило, эти участки имеют конформацию a-спирали, на наружной стороне которой расположены боковые углеводородные фрагменты аминокислотных остатков, в результате чего вся спираль, в целом, приобретает гидрофобный характер. Доля a-спиральных участков в мембранных белках довольно велика (составляет 30-50%), остальная часть полипептид-ной цепи находится преимущественно в форме неупорядоченного клубка. Участков с b-структурой, как правило, мало.

Схема мозаичной модели клеточной мембраны: 1 -по лярная головка молекулы липида; 2 - углеводородная цепь молекулы липида; 3 - интегральный белоколо

Гидрофобные a-спиральные участки интегральных белков обычно содержат от 17 до 26 аминокислотных остатков, что вполне достаточно, чтобы полипептидная цепь однократно пересекла МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. В белках, которые пронизывают МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. насквозь, такие гидрофобные тяжи соединяют между собой полярные области белковой молекулы, находящиеся на противоположных сторонах мембраны. У белков, расположенных только на одной стороне МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. и погруженных в нее лишь частично, a-спирали служат своеобразным гидрофобным "якорем", прочно удерживающим белок в мембране. В некоторых случаях "заякоривание" белков в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. происходит при помощи ковалентно связанных с ними липидов.

Типичные примеры белков, которые удерживаются в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. благодаря гидрофобному a-спиральному участку полипеп-тидной цепи,-цитохром b₅-редуктаза и цитохром b₅. К белкам, полипептидная цепь которых однократно пересекает МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б., относятся, например, антигены тканевой совместимости и мембраносвязанные иммуноглобулины, к белкам, пересекающим МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. более одного раза,-бактериородопсин. Нередко мембранные белки представляют собой сложные комплексы, состоящие из нескольких субъединиц (например, цитохром с-ок-сидаза состоит из 12 субъединиц).

Мембранные белки наряду с липидами играют важную структурную роль, кроме этого они ответственны за выполнение подавляющего большинства специализир. функций отдельных мембран. Они служат катализаторами протекающих в мембранах и на их поверхности реакций (см., например, Дыхание), участвуют в рецепции гормональных и антигенных сигналов и т.п. (см., например, Аденилатциклаза), выполняют транспортные функции, обеспечивают пиноцитоз (захват клеточной поверхностью и поглощение клеткой жидкости), хемотаксис (перемещение клетки, обусловленное градиентом концентраций к.-л. вещества в среде) и т.п. Мн. из периферич. белков-компоненты цитоскелета (совокупность филаментов и микротрубочек цитоплазмы) и связанных с ним сократит. элементов, которые обусловливают форму клетки и ее движение.

Ферментативная активность присуща многие мембраносвя-занным белкам, причем мембраны различные клеток и отдельных органоидов имеют свой характерный набор ферментов. Как правило, ферментные белки располагаются в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. в определенном порядке, который делает возможным последовательное протекание реакций метаболии, цикла.

Молекулярная организация мембран. Структурная основа МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б.-липидный бислой. В продольной плоскости МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. представляет собой сложную мозаику из разнообразных липидов и белков, причем их распределение по поверхности МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. неоднородно. В некоторых МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. имеются обширные участки липидно-го бислоя, практически свободные от белков (например, в эритроцитах белки занимают только 35% площади поверхности всей МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб., в микросомах-23%). При высоком содержании белка в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. липиды не образуют сплошной бислой, а располагаются в виде отдельных вкраплений между белковыми молекулами. Сам липидный бислой в мембране может иметь доменную структуру в результате, например, сосуществования несмешиваемых липидных фаз, находящихся в двух различные физических состояниях - гелевом и жидкокристаллическом. Часть липидов в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. может находиться также в составе так называемой небислойных фаз (мицеллярная фаза, гексагон. фаза и др.). Ассоциации липидов в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. способствует также их взаимодействие с многозарядными катионами (Са^{2 +} , Mg²⁺ и др.), периферич. белками, нек-рыми мембраноактивными веществами (например, гормонами).

Специфич. взаимодействие между отдельными белками приводят к тому, что в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. образуются белковые ассоциаты, или ансамбли, которые по составу и свойствам отличаются от окружающих участков мембраны и часто окружены липидами определенного типа. Иногда липопротеиновые участки МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб., содержащие характерный набор белков и липидов, удается выделить при фрагментации мембран. Образование ассоциатов белков может происходить также в результате их специфический связывания на поверхности МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. с нек-рыми водорастворимыми белками (например, с антителами, лектинами) или при фазовом переходе липидов в мембране (обычно белки скапливаются там, где липиды продолжают оставаться в жидкокристаллич. состоянии).

Неоднородность МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. связана также со структурными и функцион. различиями наружной и внутр. сторон мембраны, обусловленными неодинаковым распределением отдельных компонентов (белков, липидов, углеводов и др.). Характерный пример асимметрич. распределения липидов - плаз-матич. мембрана эритроцитов. Холинсодержащие фосфоли-пиды (фосфатидилхолин и сфингомиелин) преобладают у них на наружной стороне мембраны, а фосфатидилэтанол-амин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозит связаны пре-им. с ее внутр. поверхностью, обращенной в сторону цитоплазмы. Сходное распределение фосфолипидов обнаружено в плазматических мембранах др. животных клетоколо

Если асимметрия в расположении липидов в большинстве случаев в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. носит относит. характер (т.е. на наружной и внутр. стороне мембраны находятся обычно одни и те же липиды, хотя и в разной концентрации), то асимметрия в расположении белков является абсолютной - все молекулы данного белка определенным образом расположены в мембране. Так, цитохром b₅ всегда локализован только на цитоплазматических стороне мембраны эндоплазматических ретику-лума. В случае проникающего через мембрану эритроцитов белка гликофорина (ответствен за многие функции, в том числе препятствует слипанию эритроцитов) N-конец полипептидной цепи, содержащий ковалентно связанные углеводы, находится на наружной поверхности, а С-конец-на цитоплазматических стороне мембраны. Строго определенную ориентацию в МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. имеют все молекулы бактериородопсина, у которого полипептидная цепь несколько раз пересекает липидный бислой, а также сложные белковые комплексы, состоящие из нескольких субъединиц (например, цитохромоксидаза, аденилатциклаза).

Отдельные компоненты МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕ б. могут менять свое взаимное расположение, перемещаться в ней на значительной расстояния, а также покидать мембрану или внедряться в нее в ходе различные метаболич. процессов. Такая динамичность позволяет МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. быстро адаптироваться к изменению условий окружающей среды и оперативно откликаться на разнообразные внешний сигналы и стимулирующие воздействия.

Динамич. свойства МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. обусловлены текучестью липидного бислоя, гидрофобная область которого в жидкокристаллич. состоянии имеет микровязкость, сравнимую с вязкостью легкой фракции машинного масла. Поэтому молекулы липидов, находящиеся в бислое, обладают довольно высокой подвижностью и могут совершать разнообразные движения-поступательные, вращательные и колебательные.

В случае липидов большой вклад в подвижность дают внутримол. движения углеводородных цепей. Они происходят путем гош-транс-поворотов (см. Конформационный анализ)смежных звеньев углеводородной цепи вокруг связи С—С. Благодаря высокой конформационные подвижности цепей в них постоянно возникают изгибы и изломы, что приводит к нарушению регулярного расположения липидных молекул в бислое и к появлению в нем дефектов упаковки, называемых "кинки" и "джогги".

Внутримол. подвижность различные участков липидной молекулы, находящейся в бислое, неодинакова. Наим. подвижностью обладает глицериновый остов молекулы, который служит как бы жестким "якорем", ограничивающим движения близлежащих участков углеводородных цепей. По направлению к середине бислоя подвижность цепей возрастает и становится максимальной в области концевых ме-тильных групп. Довольно высокой недвижностью обладает также полярная головка липидной молекулы.

Помимо движений отдельных участков липидной молекулы относительно друг друга в жидкокристаллич. бислое происходят также движения всей молекулы как единого целого. Они включают: аксиальное вращение молекулы вокруг ее длинной оси, перпендикулярной к плоскости бислоя, маятниковые и поплавочные колебания молекулы относительно ее равновесного положения в бислое, перемещение молекулы вдоль бислоя (латеральная диффузия) и перескок ее с одной стороны бислоя на другой (флип-флоп). Все эти движения совершаются с разными скоростями.

Аксиальное вращение липидных молекул происходит очень быстро с частотой порядка 10⁷-10⁸с^-1, тогда как латеральная диффузия осуществляется гораздо медленнее. Тем не менее при среднем коэффициент латеральной диффузии липидов около 10^-8см^2.с^-1, измеренном для многие МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб., липидной молекуле потребуется всего 1 с, чтобы промигрировать от одного конца клетки до другого. Очень медленно протекает в липидном бислое флип-флоп. Обычно полупериод флип-флопа составляет величины порядка несколько часов или даже дней. Однако в некоторых мембранах скорость флип-флопа может быть значительно выше (полупериод 1-2 мин), что объясняется участием определенных интегральных белков в переносе липидных молекул через мембрану.

Иммобилизация липидов может происходить в результате латерального фазового разделения, приводящего к образованию гелевой фазы, или при их взаимодействие с белками. Предполагается, что интегральные белки окружены пограничным слоем липидных молекул (так называемой аннулярные липиды), подвижность которых ограничена или, по крайней мере, нарушена в результате контакта с неровной поверхностью белковой глобулы.

Внутримол. динамика мембранных белков изучена меньше, чем липидов. Известно лишь, что боковые заместители на тех участках полипептидной цепи, которые погружены в липидный бислой, в значительной мере иммобилизованы. Мн. мембранные белки способны легко диффундировать вдоль мембраны и обладают довольно высокой вращательное подвижностью. Но даже в случае самых подвижных белков измеряемые коэффициент диффузии примерно на порядок ниже, чем для липидных молекул. Времена вращательное релаксации для интегральных белков лежат в диапазоне от 20 до 500 мкс, а коэффициент латеральной диффузии (вдоль бислоя) варьирует от 7^.10^-9 до 10^-12см^2.с^-1.

Быстрая диффузия белков вдоль мембраны наблюдается только в жидкокристаллич. бислое, в гелевой фазе белки не мигрируют. Мобильными являются 20-50% мембранных белков, остальные имеют ограниченную подвижность или совсем неподвижны. Причиной иммобилизации интегральных белков в мембране может быть их ассоциация с образованием крупных агрегатов или даже двухмерных кристаллич. структур, взаимодействие с периферич. белками, связывание с элементами цитоскелета и т.п.

Исследования МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЧЕСКИЕб. представляют собой важную, активно развивающуюся область современной биологии. С успехами в области изучения мембран связаны многие достижения в медицине, например установление механизмов возникновения не-которых сердечно-сосудистых заболеваний и поиск подходов к их лечению. Идеи и методы, возникшие при исследовании мембран, находят широкое применение в онкологии, технологии создания искусств. органов, в трансплантац. иммунологии, эмбриологии и др. Знание процессов, происходящих в мембранах, играет важную роль в развитии таких направлений, как биоэнергетика и поиск эффективных путей утилизации солнечной энергии, создание биосенсорных устройств, мембранная технология и др.

Химическая энциклопедия. Том 3 >> К списку статей