1.2. Клеточная мембрана

 

Мембрана клетки представляет собой мозаику из липидов и бел­ков, её толщина около 6-8 нанонеметров (нм). Липиды клеточной мем­браны по большей части относятся к фосфолипидам, в молекулах кото­рых есть полярная, т.е. несущая электрический заряд, головка и два не­полярных хвоста, построенных из атомов углерода и водорода (рис. 1.3).

Такие молекулы плохо растворяются в воде - полярном раство­рителе: растворению мешают их неполярные хвосты. Поэтому в воде фосфолипиды образуют мицеллы - микроскопические капельки, внутри которых прячутся неполярные хвосты молекул, а полярные головки обращены наружу - к воде. Когда концентрация фосфолипидов высока, мицеллы соединяются друг с другом так, что образуется двойной или бимолекулярный липидный слой, внутрь которого об­ращены гидрофобные хвосты, а наружную поверхность представля­ют гидрофильные полярные головки.

Именно так и выглядит липидная основа клеточной мембраны. Кроме представляющего фосфолипиды фосфатидилхолина в ней есть гликолипиды. Они обычно расположены на наружной поверхности мембраны так, что выступающие углеводные части молекул образу­ют надмембранный слой. Ещё один компонент мембраны - холесте­рин, напротив, находится во внутреннем слое мембраны и играет роль регулятора агрегатного состояния липидной части мембраны: плот­ную мембрану он разжижает, а жидкую - уплотняет. Нормальное со­стояние мембраны - это жидкая плёнка определённой вязкости, при­мерно соответствующей вязкости оливкового масла.

В бимолекулярном липидном слое находятся мембранные бел­ки, молекулы которых значительно крупнее, чем у фосфолипидов, и зачастую свёрнуты наподобие клубка, образуя довольно объёмную структуру: она называется глобулой. Неполярные части белковых молекул обычно погружены вовнутрь, а полярные выступают над мембранной поверхностью, как с наружной, так и с внутренней сто­роны. Есть и такие крупные белковые молекулы, которые пронизы­вают мембрану насквозь. Их принято называть интегральными бел­ками в отличие от остальных, названных периферическими. Погру­жённые в жидкую плёнку бимолекулярного слоя липидов белки спо­собны медленно перемещаться из одного участка в другой; исполь­зуя метафору, о мембране можно сказать так: это липидное море, в котором, как айсберги, плавают белки.

Каким путём могут пройти через мембрану необходимые клетке вещества, как удаляются продукты её жизнедеятельности? Жирорас­творимые вещества, естественно, растворяются и в липидах мембра­ны и поэтому могут довольно легко пройти через неё путём обыкно­венной диффузии. Так же легко диффундируют через липидную часть мембраны растворимые в жидкостях газы, например кислород и уг­лекислый газ. Но растворённые в воде молекулы (обычно несущие электрический заряд), ионы и крупномолекулярные соединения спо­собны пройти через мембрану только с помощью специальных транс­портных белков, среди которых различают каналы и насосы.

Каналы - это трубчатые белки, они имеют заполненную водой пору, через которую по концентрационному или электрическому гра­диенту проходит тот или иной ион либо молекула. Такой транспорт называют пассивным, поскольку он не требует расхода энергии спе­циально для переноса. Иное дело, если ионы или молекулы понадо­бится перенести против концентрационного или электрического гра­диента: в этом случае понадобится энергия. Такой транспорт назван активным и его осуществляют белки-насосы, которые используют энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Многие мембранные белки действуют в качестве ферментов: они ускоряют биохимические реакции в самой мембране и возле её по­верхностей. Ферменты высоко специфичны, т.е. каждый из них кон­тролирует только одну биохимическую операцию. В связи с этим ка­ждой клетке приходится иметь не одну сотню различных ферментов, как механику, вынужденному носить с собой набор различных гаеч­ных ключей.

Клеточные рецепторы - ещё одна разновидность мембранных белков, Они выступают над наружной поверхностью мембраны и в этой части своей молекулы имеют участки, специфически связываю­щие строго определённые вещества: нейромедиаторы, гормоны или иные биологически активные соединения. Прикрепление такого ве­щества к рецептору влияет на деятельность клетки, например, изме­няет проницаемость её мембраны или скорость обменных реакций внутри клетки. Некоторые белки нужны для сохранения формы клетки и субклеточных структур, для объединения клеток друг с другом - такие белки называют структурными. Все белки, независимо от вы­полняемой функции, со временем разрушаются, а на смену им синте­зируются новые белковые молекулы.

Мембранные белки определяют специфическое поведение той или иной клетки, именно от них зависит: какие именно вещества, и в каком количестве смогут войти в клетку или покинуть её. Это об­стоятельство важно не только для отдельно взятой клетки, но и для межклеточных отношений, т.е. для межклеточной сигнализации. Пе­редача сигнала от клетки к клетке возможна только двумя способа­ми: проведением электрического тока или использованием специаль­ных химических веществ в качестве курьеров для передачи инфор­мации. И в том, и в другом случае клеточные мембраны должны из­бирательно изменять свою проницаемость, избирательно регулировать характер биохимических реакций, избирательно связываться с определёнными веществами и т.д. По-разному решая все эти пробле­мы выбора, клетки демонстрируют свою индивидуальность только благодаря индивидуальному подбору белков.

Как уже было сказано, органеллы клетки имеют собственные мембраны. К этому следует добавить, что они во многом напомина­ют плазматическую мембрану клетки по своему строению и функ­циональной организации.