Биохимия Р.Марри

Рис. 42.3. Схематическое представление фосфолипида или другого мембранного липида. Полярная головка гидрофи­ льна, а углеводородные хвосты гидрофобны или липофиль­

ны. Жирнокислотные хвосты могут быть насыщенными (S)

или ненасыщенными (U); первые обычно присоединены

к атому углерода 1 остатка глицерола. а последние - к ато-

му углерода 2.

в маслах. Напротив, если бы основу молекулы со­ ставляли гидрофильные участки, то она была бы не­ растворима в маслах и растворима в воде. Амфи­ фильные мембранные липиды содержат полярную «головку» и неполярные «хвосты» (рис. 42.3).

Насыщенные жирнокислотные «хвосты» нахо­ дятся в вытянутой конформации, а ненасышенные, находящиеся в мембране в основном в цuс-форме, могут иметь изломы. Чем больше таких изломов,

тем менее плотна упаковка липидов в мембране и со­

ответственно тем больше ее текучесть. Важную роль в биохимии и быту играют такие амфифильные со­

единения, как детергенты. Их структура не так уж

далека от структуры липидов.

ОРГАНИЗАЦИЯ МЕМБРАННЫХ ЛИПИДОВ

Амфифильный характер фосфолипидов означает, что две области молекулы по своей растворимости

противоположны, поэтому в водных растворителях

фосфолипиды самоорганизуются в особую структу­ ру, обеспечивающую термодинамическую стабиль­ ность обеих областей. Этой структурой является ми­ целла (рис. 42.4): ее гидрофобные области защище­ ны от воды, а гидрофильные экспонированы в вод­

ную среду.

Липидный бислой

Примерно 60 лет назад Гортер и Грендел устано­

вили, что амфифильные молекулы образуют в вод­

ной среде термодинамически стабильный бимолеку­

лярный слой (бислоЙ). Бислой-это плоская струк­ тура, в которой гидрофобные области фосфолипи­ дов недоступны для воды, а гидрофильные в нее по­ гружены (рис. 42.5). В неблагоприятное водное окружение экспонирован только край (или края) би-

Рис. 42.4. Мицелла (поперечный разрез). Полярные головки выступают в воду, а гидрофобные углеводородные хвосты

находятся в окружении других углеводородов и. таким

образом. с водой не контактируют.

слоя, но даже этот край можно ликвидировать, если

плоскость замкнуть на себя. чтобы образовалась замкнутая везикула. Замкнутый бислой обеспечи­ вает одно из основных свойств мембраны: он непро­ ницаем для большинства водорастворимых моле­ кул, поскольку они не растворяются в его гидрофоб­

ной сердцевине.

Здесь сразу возникают два вопроса. Во-первых, многие ли биологически активные вещества жирора­

створимы и, следовательно, легко проникают в клет­

ку? Такие газы, как кислород, СО;! и азот, с малым размером молекул и слабо взаимодействуюшие с ра­ створителями, легко диффундируют через гидро­ фобную область мембраны. Молекулы липидной

природы, например стероидные гормоны, тоже без

труда проникают через бислоЙ. Скорость диффузии

органических незаряженных молекул пропорцио­

нальна их коэффициенту распределения между ма-

Водная фаза

J ~ Jныи слои

.. } ГИД~И~Ь-

НЫИ слои.

Водная фаза

Рис. 42.5. Схематическое представление бислойной фосфо­

липидной мембраны. (Из книги Stryer L.: Biochemistry, 2nd

ed. Freeman, 1981, с небольшими изменениями.)

Рис. 42.6. Коэффициенты проницаемоети для липидных би­ елойных мембран воды, некоторых ионов и других малых

молекул. (Из книги Stryer L.: Bioehemistry, 2nd ed. Freeman,

1981, е небольшими изменениями.)

слом и водой (рис. 42.6); чем больше растворимость

молекулы в липидах, тем больше скорость ее диффу­

зии через мембрану.

Второй вопрос касается молекул, нерастворимых

в жирах. Каким образом поддерживаются трансмем­ бранные градиенты концентраций таких веществ? Объясняется это следуюшим: мембраны содержат белки, а белки также являются амфифильными мо­ лекулами и могут соответствующим образом встраиваться в бислоЙ. Эти белки формируют кана­

лы, по которым могут перемещаться ионы и малые

молекулы, а также служат переносчиками для боль­ ших молекул, которые другим способом не могут пересечь бислоЙ. Все эти проuессы мы рассмотрим

ниже.

Таблица 42.2. Ферментные маркеры различных мембран 11

IJМембраны содержат MHoro белков; многие из них обладают ферментативной активностью. Некоторые ферменты локализованы в определенных мембранах и MorYT, таким образом, служить мар­ керами при очистке этих мембран.

транспортные белки, структурные белки. антигены (т. е. белки, определяющие гистосовместимость) и реuепторы для разных молекул. Поскольку каждая мембрана характеризуется своим набором белков, говорить о существовании некой типичной структу­

ры мембран нельзя. В табл. 42.2 представлены фер­

ментативные активности, присущие некоторым ти­

пам мембран.

Мембраны являются динамическими структурами.

Мембранные белки и липиды постоянно обновля­

ются. Скорости обновления разных лиnиДов, как

и разных белков, варьируют в широком диапазоне. Сами мембраны могут обновляться даже быстрее. чем любой их компонент. Более подробно этот во­

прос будет рассмотрен в разделе, посвященном

эндоuитозу.

МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ

Белки, ассоциированные с бислоем

Мембранные фосфолипиды играют роль раствори­ теля для мембранных белков, создавая микроокруже­ ние, в котором последние могут функuионировать. Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, шесть являются в высшей степени гидрофобными из-за бо­

ковых групп, присоединенных к а-атому углерода,

несколько аминокислот слабо гидрофобны, а осталь­

ные гидрофильны. Как мы видели в гл. 5, при

образовании а-спирали гидрофобность самих пеп­ тидных групп минимизируется. Таким образом, бел­ ки могут образовывать единое uелое с мембраной. Для этого нужно, чтобы их гидрофильные участки выступали из мембраны внутрь клетки и наружу, а гидрофобные пронизывали гидрофобную сердпе­ вину бислоя. И в самом деле, те участки белковых молекул, которые погружены в мембрану, содержат

большое количество гидрофобных аминокислот

ихарактеризуются высоким содержанием а­

спиралей или р-слоев.

Число разных белков в мембране варьирует от 6--8 в саркоплазматическом ретикулуме до более чем 100 в плазматической мембране. Это ферменты,

Асимметрия мембран

Асимметрия является важным свойством мембран

и, по-видимому, отчасти связана снеравномерным

распределением белков в мембране. Трансмембран­ ная асимметрия может быть обусловлена и разной локализацией углеводов, связанных с мембранными

белками. Кроме того, на внешней или внутренней

стороне мембраны могут быть расположены какие­ то специфические ферменты; это касается как мито­ хондриальных, так и плазматических мембран.

Мембраны обладают также локальной асимме­ трией. В некоторых случаях (например, в щеточной каемке клеток слизистых оболочек) она проявляется

почти на макроскопическом уровне. В других слу­

чаях (например, в области щелевых контактов, плот­

ных контактов и синапсов, занимающих очень не­

большую часть площади мембраны) области ло­ кальной асимметрии невелики.

Наблюдается также асимметрия в распределении фосфолипидов между наружной и внутренней сторо­ нами мембран (поперечная асимметрия). Так, холин­ содержащие фосфолипиды (фосфатидилхолин

и сфинrомиелин) располагаются в основном в нару­

жном молекулярном слое, а аминофосфолипиды

(фосфатидилсерин и фосфатидилэтаноламин)­

преимущественно во внутреннем. Холестерол обыч­ но содержится в наружном слое в больших количе­

ствах, чем во внутреннем. Очевидно. что если такая

асимметрия в принципе существует, то поперечная

подвижность (флип-флоп) мембранных фосфолипи­

дов должна быть ограничена. И в самом деле, для

фосфолипидов в синтетических бислоях характерна

исключительно низкая скорость перескоков - время

существования асимметрии может измеряться

днями или неделями. Однако при искусственном

включении в синтетические бислои некоторых мем­

бранных белков. например эритроцитарного белка гликофорина. частота флип-флоп-перехоДов фосфо­

липидов может возрасти в сотню раз.

Механизмы асимметричного распределения ли­

пидов пока не установлены. Участвуюшие в синтезе фосфолипиДов ферменты локализованы на цито­

плазматической стороне мембран микросомных ве­

зикул. Таким образом. можно предположить. что су­

ществуют транслоказы, переносящие определенные

фосфолипиды от внутреннего слоя к наружному.

Кроме того. в обоих слоях могут присутствовать специфические белки. преимушественно связываю­ щие те или иные фосфолипиды и приводящие к их

dсимметричному распределению.

Интеrральные и периферические мембранные белки

Большинство мембранных белков являются инте­ гральными компонентами мембран (они взаимодей­ ствуют с фосфолипидами); почти все достаточно полно изученные белки имеют протяженность, пре­ вышающую 5-10 НМ,-величину, равную толщине

бислоя. Эти интегральные белки обычно представ­

ляют собой глобулярные амфифильные структуры.

Оба их конца гидрофильны. а участок, пересекаю­

ЩИЙ сердцевину бислоя, гидрофобен. После установ­

ления структуры интегральных мембранных белков

стало ясно, что некоторые из них (например. молеку­

лы белков-переносчиков) могут пересекать бислой

многократно, как это показано на рис. 42.7.

Интегральные белки распределены в бислое

асимметрично (рис. 42.8). Если мембрану, содержа­

щую асимметрично распределенные интегральные

Снаружи

Рис. 42.7. ПреДПО:Iaгаемая модель пеРСНОСЧИli:а ГЛЮКО.iЫ

у человека. Предполагается. что переносчик пересекает мембрану 12 раз. Пересекающие мембрану участки могут

образовывать амфифильныс а-спирали с амидной и гид­ роксильной боковыми группами и, по-видимому. СВЯlЫ­ вают глюкозу или образуют канал для ее переноса. Амино­ и карбоксильный I\ОНЦЫ цепи находятся на цитоплазмати­ ческой поверхности. (Из работы Mueckler et al.: Sеquеш:с

and structure оГ а human glucose transporter. Sciel1ce. 1985.

229, 941. с любезного разрешения.)

организации мембран мы обсудим позже. Периферические белки не взаимодействуют с фо­

сфолипидами в бислое непосредственно; вместо это­ го они образуют слабые связи с гидрофильными

участками специфических интегральных белков. На­

пример, анкирин, периферический белок. связан с ин­ тегральным белком полосы 11[ }ритроцитарной

мембраны. Спектрин. образуюший скелет мембраны

эритроцита, в свою очередь связан с анкирином и,

таким образом, играет важную роль в поддержании

двояковогнутой формы эритроцита. Молекулы им­ муноглобулина являются интегральными белками плазматической мембраны и высвобождаются толь­

ко вместе с небольшим фрагментом мембраны. Ин­ тегральными белками являются многие рецепторы

различных гормонов, и специфические полипептид­

ные гормоны, связывающиеся с этими рецеПТОРdМИ,

можно, таким образом. считать периферическими белками. Такие периферические белки, как пептид­

ные гормоны, могут даже детерминировать распре­

деление в плоскости бислоя интегральных белков­

их рецепторов (см. ниже).

белки. растворить в детергенте, а затем детергент

медленно удалить. то произойдет самоорганизация

фосфолипидов и интегральных белков и сформирует­

ся мембранная структура. но белки в ней уже не бу­ дут специфическим образом ориентированы. Таким

образом, асимметричная ориентация в мембране по

крайней мере некоторых белков может задаваться при их включении в липидный бислоЙ. Наружная гидрофильная часть амфифильного белка. которая,

конечно, синтезируется внутри клетки, должна затем

пересечь гидрофобный слой мембраны и в конечном итоге оказаться снаружи. Молекулярные механизмы

ИСКУССТВЕННЫЕ МЕМБРАНЫ

Искусственные мембраны получают с помощью

специально разработанных методик. Такие мем­

бранные системы обычно состоят из одного фосфо­ липида (природного или синтетического) И.;IИ их сме­ си. В соответствующих условиях (напри~ер, при

мягкой обработке ультразвуком) эти фосфолипиды образуют сферические бислойные везикулы. Везику­

лы, ограниченные липидным бислоем, называются

липосомами.

Рассмотрим несколько примеров использования

пидного состава мембран на ту или иную функцию.

Например, можно получить везикулы исключитель­

но из фосфатидилхолина или, наоборот, из смеси фо­ сфолипидов известного состава с включением глико­ липидов и холестерола. Можно строить мембраны

из липидов с разными остатками жирных кислот.

Это позволяет провести ситематические исследова­

ния влияния жирнокислотного состава на определен­

ные функции мембран (например. на транспорт). 2. В везикулы можно встраивать очищенные

мембранные белки или ферменты. Это позволяет выявить, какие молекулы (например, специфические липиды или вспомогательные белки) необходимы для реконструкции функции очищенных белков. Ис­ следования очищенных белков, например Са2 +­ АТРазы саркоплазматического ретикулума, показы­

вает, что в некоторых случаях для реконструкции

ионного насоса достаточно одного белка и одного

липида.

3. Микроокружение искусственных систем мо­

жно жестко контролировать и целенаправленно ва­

рьировать (например, изменять концентрацию ионов). Их можно подвергать действию лигандов, специфичных к определенным белковым рецепто­

рам, содержащимся в липосоме.

Для этого в мембраны липосом необходимо вклю­

чить компоненты (например, антитела к определен­

ным молекулам клеточной поверхности), позволяю­

щие адресовать их конкретным тканям или опухо­

лям. Терапевтический эффект такого способа до­

ставки лекарства должен быть весьма значитель­ ным. ДНК, заключенная внутри липосом, по­

видимому. менее чувствительна к нуклеазам; это

следует учитывать при генной терапии.

ЖИДКОСТНО-МОЗАИЧНАЯ МОДЕЛЬ МЕМБРАН

Функционирующие мембраны представляют собой

двумерный раствор глобулRpньrх интегральных бел­

ков, днспергированных в жидком фосфолипидиом ма­ триксе. Жидкостно-мозаичная модель мембранной структуры была предложена в 1972 г. Сингером и Николсоном (рис. 42.9). Первые данные об адек­ ватности этой модели были получены при искус­

ственно индуцированном слиянии двух разных роди­

тельских клеток. Оказалось, что при образовании межвидовой гибридной клетки в плазматической

мембране происходит быстрое стохастическое пере­

распределение видоспецифичных белков. Впослед-

ствии было показано, что фосфолипиды тоже спо­ собны быстро перераспределяться в плоскости мем­ браны. Такая диффузия в плоскости мембраны. на­ зываемая латеральной, может осуществляться до­ вольно быстро: одна молекула фосфолипида переме­ щается за 1 с на расстояние несколько микрометров.

Фазовые переходы и, следовательно, текучесть мембран сильно зависят от липидного состава мем­

бран. В липидном бислое гидрофобные цепочки жир­

ных кислот ориентированы практически параллель­

но друг другу, в результате чего образуется доста­ точно жесткая структура. При повышении темпера­ туры гидрофобный слой переходит из упорядочен­

ного состояния в неупорядоченное, и образуется бо­

лее жидкая, текучая система. Температура, при кото­ рой вся структура претерпевает переход из упорядо­

ченного состояния в беспорядочное, называется тем­ пературой перехода. Более длинные и более насы­ щенные жирнокислотные цепи обладают более вы­ сокой температурой перехода, т. е. для повышения текучести образованной ими структуры необходима более высокая температура. Наличие ненасыщенных

связей в цuс-конфигурации приводит к повышению текучести бислоя из-за снижения компактности упа­ ковки цепей без изменения гидрофобности (рис.

42.3). Фосфолипиды клеточных мембран обычно содержат по крайней мере одну ненасыщенную жир­

ную кислоту, имеющую по крайней мере одну двой­

ную связь в цuс-положении.

Холестерол играет роль молекулярного модифика­ тора мембран, включение которого приводит к образо­ ванию состояний с промежуточной текучестью. Если ацильные боковые цепи находятся в неупорядочен­

ном состоянии, то холестерол вызывает их конденса­

цию; если же они образуют какую-то кристаллопо­ добную структуру, то холестерол переводит ее в не­ упорядоченное состояние. При высоком отношении холестеролjлипид фазовый переход вообще не про­

исходит.

Текучесть мембраны сильно влияет на ее функ­

ционирование. При увеличении текучести мембрана становится более проницаемой для воды и других

малых гидрофильных молекул, растет скорость ла­

теральной диффузии интегральных белков. Если ак­

тивный центр интегрального белка, осуществляю­ щий некую функцию, располагаеrся исключительно в гидрофильной его части, то изменение текучести

липидов, вероятно, не скажется слишком сильно на

активности белка. Но если белок выполняет транс­

портную функцию и транспортный компонент пере­ секает мембрану, то изменения свойств липидной фазы могут привести к значительному изменению скорости транспорта. Превосходным примером является зависимость функционирования инсулино­ вого рецептора от текучести мембран (гл. 51). Когда

концентрация ненасыщенных жирных кислот в мем­

бране растет (при культивировании клеток в среде, богатой этими соединениями), увеличивается теку-

СБОРКА МЕМБРАН

Как мы уже говорили, ферменты, ответственные за

синтез фосфолипидов, располагаются на цитоплаз­

матической стороне везикул эндоплазматического

ретикулума. По мере синтеза фосфолипидов проис­ ходит их самосборка с образованием термодинами­

чески стабильных бимолекулярных слоев, которые

включаются в мембрану везикул. Липидные везику­

лы, происходящие от эндоплазматического ретику­

лума, по-видимому, перемещаются к аппарату Го­

льджи, фрагменты которого в свою очередь сливаю­

тся с плазматической мембраной. Мембраны аппа­

рата Гольджи и везикул эндоплазматического рети­

кулума асимметричны в поперечном направлении

как по фосфолипидам, так и по белкам, и эта асим­

метрия сохраняется до слияния с плазматической

мембраной. Внутренняя поверхность везикулярных

мембран оказывается с наружной стороны плазма­ тической мембраны, а цитоплазматическая остается

на ее цитоплазматической стороне (рис. 42.10). По­

скольку поперечная асимметрия в мембранах вези­

кул, происходящих из эндоплазматического ретику­

лума, сушествует еще до слияния с плазматической

мембраной, основной проблемой сборки мембран

становится вопрос о том. каким образом интеграль­

ные белки асимметрично включаются в липидный бислой эндоплазматического ретикулума.

Интегральные и секретируемые белки сразу по­

сле их синтеза содержат гидрофобную лидерную по­

следовательность длиной 15-30 аминокислот на N- конце. Внутренней гидрофобная лидерная последо-

Рис. 42. 10. При слиянии везикул с плазматической мембра­

ной сохраняется ориентация всех интегральных белков.

включенных в бислой везикулы. Исходно N-конец белка смотрит внутрь везикулы. После слияния N-конец оказы­ вается на наружной поверхности плазматической мембра­ ны. Неизменность ориентации белка становится еще более очевидной, если проследить за расположением другого конца молекулы -С-конца. который всегда обращен в ци­ топлазму. Внутренняя поверхность везикулы и наружная­

клетки топологически эквивалентны. (Из работы Ladish

Н. F., Rothman J. Е.: The assembIy ofcelI membranes. Sci. Ат. [Jan.] 1979, 240. 43, с изменениями.)

вательность бывает очень редко. N-концевая лидер­

ная последовательность обычно отщепляется от бел­

ка при его встраивании в мембрану или сразу после него, при этом получается зрелый секретируемый

или интегральный белок.

Существуют убедительные данные о том, что ли­

дерная последовательность участвует в процессе

встраивания белка. Мутантные белки, содержащие модифицированную лидерную последовательность, в которой какая-либо гидрофобная аминокислота заменена на гидрофильную, не включаются в мем­ браны. В то же время немембранные бе.Т(КИ с присое­

диненной к ним лидерной последовательностью (для

этого используются методы генной инженерии) спо­

собны включаться в мембрану и даже секретиро­

ваться.

Сигнальная гипотеза

Белки встраиваются в мембрану разными спосо­ бами (рис. 42.11); детали этого процесса во многих случаях еще не установлены. Для объяснения меха­

mвма встраивания предложены две модели: сигналь­

ная гипотеза и мембранная триггерная гипотеза. В сигнальной гипотезе предполагается, что белок включается в мембрану параллельно его трансляции

на мРНК в полирибосомах; это так называемое ко­

трансляционное включение. Когда лидерная после­

довательность выходит из рибосомы, она выявляет­ ся некой сигнал-распознающей частицей (СРЧ), которая блокирует дальнейшую трансляцию на

уровне примерно 70 аминокислот, 40 из которых остаются в большом рибосомном комплексе, а 30 экспонированы в среду (рис. 42.12). СРЧ содержит шесть белков, с ней ассоциирована 7S-PHK, близко­

родственная «Аlu-семейству» последовательностей ДНК с большим числом повторов (см. гл. 38). Бло­

кирование трансляции не снимается до тех пор, пока

комплекс СРЧ-лидерная последовательность­ рибосома не свяжется с так называемым «отстри­ гающим» белком (рецептором дЛЯ СРЧ) эндоплаз­ матического ретикулума. В этот момент начинается котрансляционное встраивание белка в эндоплазма­

бранного белка и освобождаются и диссоциируют на соответствующие субъединицы только после его за­

вершения. Когда ранее синтезированная часть белка

выходит в просвет эндоплазматического ретикулу­

ма, отщепляется лидерная последовательность

и присоединяются углеводы.

Интегральные мембранные белки не пересекают

мембрану целиком; по-видимому, этому препят­ ствует гидрофильная якорная последовательность на С-конце. Секретируемые же белки проходят сквозь мембранный бислой полностью и высвобо­

ждаются в просвет эндоплазматического ретикулу­

ма. К моменту их поступления внутрь везикулы

углеводные остатки уже оказываются связанными

с ними. Впоследствии секретируемые белки обнару­ живаются в просвете аппарата Гольджи, где проис­ ходит модификация их углеводных цепочек, а затем они перемещаются к специфическим внутриклеточ­

ным органеллам или клеточным мембранам либо секретируются. Некоторые белки пересекают одну

мембрану, а затем заякориваются в другой, соседней

мембране, например внутренней мембране мито­

хондрий.

Мембранная триггерная ГИllOтеза

бы триггером по отношению к третичной структуре

белкапоследний переходиг в такую конформа­ цию, которая обеспечивает его предпочтительное включение в бислоЙ. Таким образом, белок претер­ певает некий переход и сам встраивается в мембрану таким способом, чтобы установить необходимую поперечную асимметрию. Сразу после встраивания белка или его интеграции лидерная последователь­ ность отшепляется. Триперная гипотеза не предпо­

лагает специфического взаимодействия между рибо­

сомой и мембраной, но это еще не означает, что син­ тез белка не может происходить на мембранах.

Основные особенности сигнальной и триггерной

гипотез сопоставляются в табл. 42.3. Возможно, в одной и той же клетке действуют оба механизма. Некоторые аспекты мембранного биосинтеза остают­

ся неясными, поскольку одни мембранные и секре­ тируемые белки синтезируются на мембраносвязан­ ных полисомах, тогда как другие - на свободных

цитоплазматических полисомах. Сборка некоторых секретируемых или встраиваемых в мембрану бел­

ков не осуществляется до тех пор, пока эти белки не

вступают во взаимодействие с мембранным бислоем на ранних этапах своего биосинтеза на рибосомах. Другие белки, например цитохром bs, встраиваются

бране после того. как их синтез завершен, но все же их внедрение в мембрану требует присутствия нор­ мальной лидерной последовательности. Некоторые одноцепочечные пептиды или белки, такие, как бак­

териородопсин, пересекают мембрану несколько

раз, и этот феномен трудно объяснить в рамках сиг­

нальной гипотезы.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ФУНКЦИИ МЕМБРАН

Если плазматическая мембрана относительно не­

проницаема, то как попадают в клетку большинство

молекул? Чем обусловлена селективность их перено­ са? Ответы на эти вопросы очень существенны для прояснения способов адаптаций клеток к постоянно меняющимся условиям внешней среды. У многокле­

точных организмов должны иметься также средства

коммуникации между соседними и отдаленными

друг от друга клетками, что позволяло бы им коор­

динировать весь комплекс биологических процессов.

Сигналы могут поступать к мембране и переда­

ваться ею или же генерироваться в виде некой после­

1JИз работы Wickner W. The assembIy of proteins into biological membranes: The membrane trigger hypothesis. Аппu. Rev. Biochem, 1979; 48, 23.

разрешения авторов.

трансмембранной диффузии по электрохимическому

градиенту; при этом никаких энергетических затрат

не требуется. Скорость простой диффузии через

мембрану растворенных веществ определяется те­

пловым движением перемещающихся молекул,

трансмембранным концентрационным градиентом вещества и его растворимостью (коэффициентом

проницаемости; рис. 42.6) в гидрофобном слое мем­

браны. Растворимость обратно пропорuиональна числу водородных связей. которые должны быть разорваны, чтобы растворенное в водной среде веще­

ство оказалось включенным в гидрофобный слой.

Электролиты, слабо растворимые в липидах. не

образуют с водой водородных связей, но они обла­

дают водной оболочкой, образующейся в результате

электростатических взаимодействий. Размер обо­

лочки прямо пропорционален плотности заряда

электролита. Электролиты с большей плотностью заряда обладают большей гидратной оболочкой и. таким образом, меньшей скоростью диффузии. Ио­ ны Na +, например, характеризуются большей плот­

ностью заряда, чем ионы К+ . Следовательно, гидра­ тированный Na + имеет больший размер, чем К+ ,

иего скорость пассивной диффузии ниже.

Вприродных мембранах в отличие от синтетиче­

ских бислойных мембран имеются трансмембранные

каналы - сходные с порами структуры, состоящие

из белков. Каналы, пропускающие катионы, имеют средний диаметр ..., 5--8 нм и выстланы отрицатель­ но заряженными группами. Проводимость канала

зависит от размера, степени гидратаuии и плотности

заряда иона. Обнаружены спеuиальные каналы для

Na+, К+ и Са2+.

В мембранах нервных клеток имеются хорошо

изученные ионные каналы, ответственные за генера-

мембранами. Некоторые механизмы реализации этих процессов перечислены в табл. 42.4.

ТРАНСМЕМБРАННЫЙ ПЕРЕНОС

МАЛЫХ МОЛЕКУЛ

Молекулы могут пассивно пересекать бислой по

электрохимическому градиенту путем простой или

облегченной диффузии. Такому спонтанному пере­

носу, приводящему к установлению равновесия, про­

тивостоит активный транспорт, который требует за­

трат энергии, поскольку он происходит против элек­

трохимического градиента. Эти механизмы схемати­ чески представлены на рис. 42.13.

Таблица 42.4. Перенос вещества и информации через мем­ браны

Трансмембранное перемещенне малых молеку.1J Диффузия (пассивная и облегченная)

Активный транспорт

Трансмембранное перемещенне крупных молекул Эндоцитоз Экзоцитоз

Передача сигнала через мембраны

Рецепторы клеточной поверхности

1.Передача сигнала (например. глюкагон-сАМР)

2.Интернализация сигна;lа (сопряженная с ')Нj{ОЦИТО­

зом, например рецептор ЛНП)

Движение внеклеточных рецепторов (стероидныс

гормоны; некая разновидность диффузии)

Межклеточные контакты н коммуннкацнн

цию и распространение потенциала действия вдоль

мембраны. Активность некоторых из них контроли­

руется нейромедиаторами, т. е. работа каналов мо­

жет регулироваться. Кроме того, один ион может ре­

гулировать активность канала, проницаемого для дру­

гого иона. Так, при уменьшении концентрации Са2 +

во внеклеточной жидкости увеличивается мембран­

ная проницаемость и диффузия Na +. в результате мембрана деполяризуется и генерируется нервный импульс. Именно этим объясняются оцепенелость,

покалывание и судороги мышц при понижении

уровня Са2+ в плазме.

Каналы открываются только на определенное

время, т.е. обладают воротным механизмом. В слу­

чае воротного механизма, контролируемого лигандом,

некая специфическая молекула связывается с рецеп­

тором и открывает «ворота». Каналы с потенциалза­ висимым воротным механизмом открываются (или

закрываются) в ответ на изменение мембранного по­

тенциала.

Некоторые микроорганизмы синтезируют малые

органические молекулы - ионофоры, которые осу­

ществляют челночные перемещения ионов через

мембраны. Эти иоиофоры содержат гидрофильные пентры, которые связывают определенные ионы. По периферии центры окружены гидрофобными обла­

стями, что позволяет молекуле легко растворяться

в мембране и диффундировать через нее. Суще­ ствуют и другие ионофоры, подобные хорошо изу­ ченному полипептиду грамицидину, которые обра-

зуют каналы. Некоторые микробные токсины (на­ пример, дифтерийный токсин) и компоненты активи­

рованного сывороточного комплемента способны

образовывать крупные поры в клеточных мембра­

нах, через которые могут проходить макромолеку­

лы.

Суммируя сказанное, можно сказать, что диффу­ зия веществ определяется следующими факторами: 1) трансмембранным концентрационным градиен­

том веществ. Растворенные вещества перемещаются

в сторону понижения концентрации; 2) трансмем­ бранной разностью электрических потенциалов. Ра­

створенные вещества движутся в сторону раствора

с противоположным зарядом; 3) коэффициентом проницаемости мембраны для данного вещества;

4) градиентом гидростатического давления на мем­

бране. При повышении давления будет увеличивать­ ся скорость столкновений молекул и мембраны; 5) температурой. Чем выше температура, тем боль­

ше скорость частиц и, следовательно, частота стол­

кновений между частицами и мембраной.

Облегченная диффузия и

активный транспорт

Транспортные системы можно описывать исходя

из числа переносимых молекул и направления пере­

мещения (рис. 42.14) или в соответствии с тем, как

осуществляется перенос- в сторону установления