Мембрана

Не вызывает сомнений тот факт, что основные принципы структурной организации всех мембран животных клеток по сути одинаковы. Любая клетка имеет наружную мембрану - ее называют плазматической. Она играет роль преграды, отделяющей живое содержимое клетки от се окружения. Но плазматическая мембрана - не просто клеточная оболочка. Она регулирует поступление молекул и ионов в клетку и выход их наружу. Кроме того, в состав плазматической мембраны входят различные ферменты, природа которых зависит от особенностей данной клетки. Плазматическая мембрана содержит специализированные компоненты, участвующие в межклеточных контактах и взаимодействиях, в гормональном ответе и системах транспорта через мембрану как малых, так и больших молекул.

Вся сложнейшая деятельность нервной ткани опосредуется мембранами. В клетках нервной системы представлено несколько типов вы сокоспециализированных мембран: соматические мембраны мульти- и униполярных нейронов, мембраны дендритов, аксонного холмика, миелинизированных и немиелинизированных аксонов, по которым распространяется потенциал действия, мембраны рыхлого и компактного миелина, мембраны синаптических пузырьков, пре- и постсинаптические мембраны, мембраны клеток макро- и микроглии. Возбудимость этих мембран колеблется в широких пределах от высоковозбудимых (синаптические, мембраны аксонного холмика) до относительно устойчивых мультимембранных структур миелина.

Мембране е нейронов, как и мембраны клеток других тканей, состоят из организованных в бислой липидов и встроенных в липиды белковых молекул. Толщина бислоя составляет 50-60 А (ангстрем). В состав биологических мембран входят вещества трех классов, отмен которых составляет основу метаболизма: белки, липиды и углеводы. Белки составляют 40-60%, остальное приходится на долю липидов. Основная масса углеводов является компонентом сложных липидов (гликолипидов) или сложных белков (гликопротеинов). Белковый состав мембран чрезвычайно разнообразен, он в значительной мере определяет свойства мембран и их функциональную активность. Для мембран нервной ткани характерно наибольшее структурное разнообразие липидов по сравнению с мембранами других органов. Это существенно отличает нервную ткань от других органов и тканей (см. гл. 1.2). Именно специфические липиды в значительной мере определяют сложность и своеобразие мембран и надмолекулярных образований (таких, как миелин) в нервной системе. Для нервной ткани характерно наличие таких липидов, как ганглиозидв, галактоцереброзиды, полифосфоинозитиды, отсутствующих в других тканях, либо обнаруживающихся в них в незначительных количествах. Эти липиды определяют функциональные особенности и структуру гликокаликса нейронов. Другой компонент мембран нейронов - углеводы - обнаруживается в составе мембран лишь в соединении с белками (гликопротеинами и протеогликанами) и липидами (гликолипидами). В мембранах гликозилировано около 10% всех белков и от 5 до 26% липидов (в зависимости от объекта). В числе углеводных компонентов глюкоза, галактоза, их амины, нейраминовая кислота, фукоза и манноза.

Углеводные компоненты мембранных структур в подавляющем большинстве ориентированы во внеклеточную среду. Их функции связаны с контролем за межклеточными взаимодействиями, поддержанием иммунного статуса клетки, обеспечением стабильности белковых молекул в мембране. Очень важна роль углеводного компонента белковых молекул в формировании специфических функций мембранных белков и липидов. Многие белковые молекулы, особенно биологически активные вещества (например, нейропептиды), синтезируются в виде крупных, неактивных предшественников, которые затем расщепляются специфическими протеазами с формированием «зрелых» биологически активных продуктов. Деятельность протеаз контролируется уровнем гликозилирования белков. Так, многие белки, синтезируемые вначале как гликопротеины, в дальнейшем в результате процессинга теряют олигосахаридную часть.

Биологические мембраны играют значительную роль в осуществлении почти всех биологических функций клетки. Их молекулярная организация обеспечивает инфраструктурную основу для всех специальных функций, осуществляемых в клеточной мембране.

Несмотря на многообразие различных типов клеток, их мембраны выполняют общие биологические функции. Прежде всего, они отграничивают живое содержимое от внешней среды, а внутриклетки организуют компартменты с различными свойствами. С их помощью происходит отделение содержимого компартментов от цитоплазмы. В каждом компартменте мембраны обеспечивают сохранение специфических физико-химических условий. Поэтому по разные стороны мембраны такие условия среды, как кислотность, концентрация растворенных веществ, электрический потенциал, как правило, неодинаковы. Для нервной ткани характерна отчетливо выраженная компартментализация метаболизма - как в разных отделах мозга, так и в различных субклеточных структурах нейрона или в элементах системы нейрон-нейроглия. Наиболее отчетливо это продемонстрировано па примере метаболизма аминокислот и реакций энергетического обмена - существование цитоплазматического и митохондриального метаболических компартментов, отличающихся субстратами окисления, скоростью и направлением протекания отдельных реакций. Важным примером компартментализации метаболических процессов служат специфические биохимические реакции, протекающие в синаптических окончаниях и определяющие функционирование синапсов.

Мембраны не только разделяют клетку на отдельные компартменты, но и участвуют в формировании метаболических сигналов, которые передаются через мембрану в клетки. Это может осуществляться в виде физического переноса ионов или молекул через мембрану или при помощи конформационных изменений, индуцируемых в мембранных компонентах. Таким образом мембраны «контролируют» проникновение в клетку и выход из нее метаболитов. Благодаря рецепторам они реагируют на внешние сигналы и подвергают их трансформации (т. е. способны классифицировать и избирательно модулировать сигналы - усиливать важные и снижать до уровня шумов второстепенные), вычленяв и передавая внутрь клетки существенную информацию.

Мембраны способны обеспечивать образование и поддержание разности потенциалов, а так же транспортировать мембранный потенциал вдоль по мембранным индукторам, давая возможность использовать этот специфический вил энергии в разных частях клетки.

С мембранами связано функционирование многих клеточных ферментов. Мембраны оказывают большое влияние на процессы,протекающие внутри клетки,изменяя их активность. Некоторые ферменты активны только тогда, когда они прикреплены к мембране; другие, наоборот, в этом состоянии не проявляют активности и начинают действовать лишь после объединения и перехода в цитоплазму. Поэтому важным свойством мембран является способность создавать специальные условия для протекания реакций, осуществляемых гидрофобными белками. Одновременно мембранные липиды регулируют взаимодействие белков, погруженных в толщу мембран. Некоторые ферменты образуют своеобразные мембранные ансамбли, осуществляющие цепь последовательных превращений именно благодаря тому, что их компоненты объединены общностью локализации, организованы мембраной. Благодаря этому обстоятельству повышается суммарная эффективность каталитического процесса. Существуют ферменты, которые, действуя на мембраносвязанные субстраты, тем самым участвуют в биогенезе мембран.

При том или ином участии мембран осуществляется большинство жизненно важных функций организма, например репликация прокариотической ДНК, биосинтез белков и их секреция, биоэнергетические превращения, а также функционирование систем гормонального ответа. Важная функция мембран связана с координацией множества химических реакций, протекающих в клетке: в мембранах различные ферменты объединяются в единый конвейер, в котором каждый фермент действует в строгом соответствии с остальными.

Мембраны участвуют во взаимодействии клеток со средой. Это свойство лежит в основе обеспечения специфики межклеточных контактов, адгезии нейрональных клеток.

Большинство мембран кроме общих выполняют специальные функции. Для того чтобы организм мог функционировать как единое целое, между его клетками должна осуществляться взаимосвязь - перенос разнообразных химических веществ и информации. В передаче информации участвуют, например, гормоны, доставляемые к клеткам кровью. В нервной системе передача информации осуществляется прежде всего с помощью нервных импульсов. Мембраны нервных клеток генерируют электрический потенциал.

Способность вырабатывать электрические сигналы - важнейшее функциональное свойство нервных клеток, определяемое своеобразием молекулярной организации наружной мембраны нейрона, в которую встроены специфические белковые комплексы - так называемые ионные каналы и ионные насосы. Особую роль в связи с этим играет специфика строения нейрональных мембран (в том числе миелина), способных к генерации и распространению электрического импульса. Распространение по нерву импульса - процесс, ограниченный плазматической мембраной, определяемый также специфическими изменениями мембранной структуры, скоординированными во времени и пространстве.

Некоторые клетки, например палочки сетчатки глаза, имеют высокоспециализированные мембраны, позволяющие выполнять уникальные функции преобразования энергии света в нервный импульс. Сенсорная система обеспечивает восприятие действующих на организм раздражителей, преобразование их сигналов в нервный импульс, передача которого по нервным путям в подкорковые и корковые центры ЦНС обеспечивает анализ поступившей информации. В передаче информации и формировании ответной реакции ЦНС принимают участие контактные зоны между нервными клетками - синапсы.

Мембраны синаптических структур обеспечивают осуществление межнейрональных и периферических связей, а также анализ, отбор и модуляцию сигнала с помощью химических и электрических механизмов. На одном нейроне может быть от нескольких десятков до нескольких тысяч синапсов. Именно благодаря синоптическим образованиям происходит формирование временных и стабильных функциональных ансамблей нейронов, осуществляются межнейронные, нейромышечные и нейросекреторные контакты.

Относительно немного известно о механизмах формирования синапсов в ЦНС. В течение всей жизни организма синапсы непрерывно развиваются как структурно, ток и функционально. Постоянное развитие синапсов является важным условием обучения и формирования памяти в нормальном мозге. Утрата нейроном такой способности является первопричиной различных нейродегенеративных и психологических расстройств.

Для изучения функций мембран было предложено много моделей молекулярной организации этой структуры. Среди них - динамическая жидкостно-мозаичная модели С. Сингера и Дж. Никольсона, существенно усовершенствованная после ее первого описания в 1974 г. и ставшая ныне широко признанной моделью, применимой к большинству биологических мембран. В рамках данной модели мембрана представляет собой фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки (рис. 1.14). Созданию этой модели способствовало развитие современных подходов к изучению свойств мембранных белков, динамических свойств мембран и их взаимосвязи с мембранными функциями. Согласно жидкостно-мозаичной модели, клеточная мембрана состоит, в основном, из молекул фосфолипидов, организованных в бислой с включенными в его структуру нелипидными соединениями, представленными интегральными и поверхностными белками. Фосфолипиды с их ионными и полярными головками находятся в прямом контакте с водной фазой на внешней и внутренней поверхности двойного слоя, минимизируя таким образом взаимодействия гидрофобных компартментов мембраны с молекулами воды из внешней среды, в то время как неполярные насыщенные и ненасыщенные жирнокислотные цепочки оказываются внутри мембранного двойного слоя, формируя гидрофобную среду. Пустоты между ними заполнены липидами, главный компонент которых - холестерин.

Жидкостно-мозаичная модель Сингера и Никольсона предполагает существование в мембранах липидных кластеров с различными свойствами. Такие кластеры являются необходимой частью клеточного механизма перемещения липидов и связанных с липидами белков внутри клетки. Считается, что липидные кластеры важны для осуществления различных физиологических функций мембран, в частности для обеспечения быстрого перемещения липидных молекул в латеральном направлении. Липидные кластеры представляют собой динамичные (короткоживущие) ансамбли - время их жизни измеряется периодами длительностью около 10-7 с.

В плазматической мембране образуются и более устойчивые ассоциаты, время жизни которых сопоставимо с молекулярной активностью ферментов. Эти ассоциаты состоят из холестерина, фосфатидилсерина и сфинголипидов, которые в бислойной мембране объединены между собой гидрофобны ми взаимодействиями более тесно, чем окружающие их молекулы. Они получили название липидных рафтов (плавучих островов). Такие рафты могут существовать в окружающем их мембранном бислое достаточно длительное время в виде «движущихся платформ», в которых концентрируются специфические белки. Липидный бислой в рафтах более асимметричен, чем в других частях бислоя, при этом его наружный слой обогащен сфинголипидами и гликосфинголипидами, а внутренний - фосфатидилсерином и глицерофосфолипидами. Сфинголипиды ассоциированы друг с другом в латеральном направлении межзарядными взаимодействиями полярных голов, а с липидным бислоем связаны насыщенными жирнокислотными цепями. Все пустоты между ассоциатами сфинголипидных, глицеролипидных и фосфолипидных групп и их жирнокислотными цепями заполнены молекулами холестерина. Внедрение холестерина «уплотняет» жирнокислотные цепи липидов. Таким образом, при формировании липидных рафтов холестерин служит своеобразным «наполнителем».

Синтез сфинголипидов и модификация их головок завершается, в основном, в аппарате Гольджи. Холестерин синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме. Ассоциация холестерина с молекулами сфинголипидов происходит в аппарате Гольджи, откуда эти ассоциаты транспортируются в плазматическую мембрану. Передвижение таких ассоциатов к поверхности плазматической мембраны позволяет увеличить содержание в ней холестерина; встраивание доставленных компонентов в плазматическую мембрану происходит в процессе эндоцитоза.

Мембранные рафты — относительно небольшие, весьма подвижные и довольно нестабильные структуры. Их размер и состав непостоянны. Подвижность позволяет мембранным рафтам облегчать перенос специфических белков от аппарата Гольджи к поверхности клетки, а также вдоль плазматической мембраны или от плазматической мембраны к внутренним мембранам клетки. Рафты имеют размеры около 5 А. Индивидуальные рафты в ответ на специфическое физиологическое воздействие могут сливаться с образованием больших структур. Объединение рафтов индуцируется церамидом.

Распределение липидных рафтов в клеточных мембранах зависит от типа клеток. Поскольку почти 25% общего количества холестерина, присутствующего в организме человека, локализовано в мозге, и его большая часть сосредоточена в миелине, то участие холестерина в формировании липидных рафтов очень велико. В нейронах липидные рафты чаще образуются в сомальных и аксональных мембранах, чем в соматодендритах. Липидные рафты обнаружены также в постсинаптических участках нейронов.

В плазматической мембране рафты служат лля прикрепления специфических белков, вовлекаемых во многие процессы, такие как передача сигнала, эндоцитоз, рецепции болезнетворных микроорганизмов и адгезия клеток. Рафты заякоривают глобулярные интегральные белки на внешней и на внутренней стороне бислоя. Рафты включаются в процесс передачи сигнала через такие рецепторы, как рецептор эпидермального фактора роста, инсулиновый рецептор. В их действие вовлекаются тирозинкиназы, G-белки, Ras, аденилатциклаза, изоферменты протеинкиназы С и др. Рафты являются местами связывания многих внеклеточных лигандов.

Обнаружение мембранных рафтов, установление их свойств и функций потребовало очередной модификации жидкостно-мозаичной модели мембраны, и этот процесс будет продолжаться по мере совершенствования наших знаний. Клеточная мембрана в современном представлении все более отличается по своим свойствам от «класси-ческого» липидного бислоя. Тем не менее жидкостно-мозаичная модель со всеми ее модификациями служит концептуальной основой для объяснения многих мембранных феноменом. Сложность создания единой модели биологических мембран связана с огромным разнообразием их функций.

Поиск по сайту: