Мембраны биологические (от лат. membrana-кожица, перепонка), сложные высокоорганизованные надмолекулярные структуры, ограничивающие клетки (клеточные, или плазматические, 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). Биологические мембраны содержат также углеводы (до 10% от сухого вещества по массе), которые, как правило, входят в состав гликопротеинов и гликолипидов. В некоторых специализированных биологических мембранах в заметных количествах могут присутствовать также хиноны (напр., убихиноны), каротиноиды. ретиноиды (ретинол, 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. преим. Са2+ и Mg2+, входящие в хелатные комплексы.
Важнейшая функция биологических мембран - регуляция обмена веществ между клеткой и средой, а также между различными отсеками (компартментами) внутри самой клетки.
Липиды мембран. Основные липидные компоненты биологические мембраны - фосфолипиды, гликолипиды и стерины. Каждая группа этих липидов представлена большим числом разнообразных соединений. Так, в мембране эритроцитов человека содержится не менее 20 различных представителей основного фосфолипида этой мембраны - фосфатидилхолина. в целом же в мембране эритроцитов идентифицировано около 200 различных липидов.
В клетках млекопитающих плазматические мембраны обогащены холестерином и гликосфииголипидами, тогда как мембраны органоидов содержат эти липиды в малых количествах. Наиболее распространенные липиды, имеющие цвиттер-ионную структуру, в большинстве мембран клеток млекопитающих - фосфатидилхолин и сфингомиелин (в митохондриальных мембранах - фосфатидилэтаноламин). Дифосфатидилглицерин в значительных количествах присутствует только в мембранах митохондрий (в основном в их внутренней мембране). В плазматических мембранах содержание фосфатидилсерина обычно больше, чем фосфатидилинозита (фосфоинозитида), для внутриклеточных мембран характерно обратное соотношение. В мембранах миелина широко представлены цереброзиды. Другие плазматические мембраны содержат, как правило, более сложные гликолипиды, такие, например, как ганглиозиды. Фосфатидилэтаноламин в мембранах миелина и тромбоцитов находится преим. в плазмалогеновой форме.
Мембраны клеток высших растений и дрожжей по липидному составу во многом сходны с соответствующими мембранами клеток млекопитающих. Однако в них совсем нет сфингомиелина, а фосфатидилсерин присутствует лишь в следовых количествах. Главные стерины мембран растительных клеток - ситостерин и стигмастерин, мембран грибов и дрожжей - эргостерин и зимостерин. Мембраны хлоропластов 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 раститительных и животных клеток. Все бактерии, за исключением микоплазм, не содержат стеринов. Фосфолипиды мембран грамположительных бактерий представлены главным образом фосфатидилглицериноми его аминоациальными производными, а также дифосфатидилглицерином. В небольшом количестве в этих мембранах нередко встречается фосфатидилинозит. У грамотрицательных микроорганизмов в составе мембранных фосфолипидов преобладает Фосфатидилэтаноламин. Фосфатидилхолин в бактериальных мембранах либо совсем не содержится, либо присутствует в малых количествах. Содержание фосфатидилсерина в этих мембранах обычно также незначительно. Широко представлены в бактериальных мембранах различные гликозилдиацилглицерины.
Основные компоненты мембран оболочечных вирусов (вирус гриппа, лейковирусы, вирус стоматита), как и плазматических мембран клеток животных - фосфатидилхолин, сфингомиелин, Фосфатидилэтаноламин и холестерин.
Липидный состав клеточных мембран изменчив. В меньшей степени это проявляется в животных клетках, находящихся в условиях стабильной внутренней среды. Однако и в этом случае можно модифицировать состав липидов в некоторых мембранах, меняя пищевой 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 - основной строительный 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. Молекулярная масса мембранных белков обычно варьирует в пределах от 10 тыс. до 240 тыс. Они значительно различаются между собой по прочности связывания с мембраной. Белки, называемые периферическими 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 т. наз. интегральные, или внутримембранные, белки (см. рис.). Чтобы их выделить, требуется, как правило, предварительно разрушить мембрану с помощью ПАВ или органических растворителей.
Периферические 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 орг. растворителей (например, 2-хлорэтанола, бутанола, ДМФА).
Особенность интегральных белков - наличие в их полипептидной цепи довольно протяженных участков с преобладающим содержанием неполярных аминокислот. Как правило, эти участки имеют конформацию α-спирали, на наружной стороне которой расположены боковые углеводородные фрагменты аминокислотных остатков, в результате чего вся спираль, в целом, приобретает гидрофобный характер. Доля α-спиральных участков в мембранных белках довольно велика (составляет 30-50%), остальная часть полипептидной цепи находится преимущественно в форме неупорядоченного клубка. Участков с β-структурой, как правило, мало.
Гидрофобные α-спиральные участки интегральных белков обычно содержат от 17 до 26 аминокислотных остатков, что вполне достаточно, чтобы полипептидная цепь однократно пересекла биологические мембраны. В белках, которые пронизывают биологические мембраны насквозь, такие гидрофобные тяжи соединяют между собой полярные области белковой молекулы, находящиеся на противоположных сторонах мембраны. У белков, расположенных только на одной стороне биологические мембраны и погруженных в нее лишь частично, a-спирали служат своеобразным гидрофобным "якорем", прочно удерживающим белок в мембране. В некоторых случаях "заякоривание" белков в биологические мембраны происходит при помощи ковалентно связанных с ними липидов.
Типичные примеры белков, которые удерживаются в биологические мембраны благодаря гидрофобному α-спиральному участку полипептидной цепи,-цитохром b5-редуктаза и цитохром b5. К белкам, полипептидная цепь которых однократно пересекает биологические мембраны, относятся, например, антигены тканевой совместимости и мембраносвязанные иммуноглобулины, к белкам, пересекающим биологические мембраны более одного раза,-бактериородопсин. Нередко мембранные белки представляют собой сложные комплексы, состоящие из несколько субъединиц (например, цитохром с-оксидаза состоит из 12 субъединиц).
Мембранные белки наряду с липидами играют важную структурную роль, кроме этого они ответственны за выполнение подавляющего большинства специализированных функций отдельных мембран. Они служат катализаторами протекающих в мембранах и на их поверхности реакций, участвуют в рецепции гормональных и антигенных сигналов и т.п., выполняют транспортные функции, обеспечивают пиноцитоз (захват клеточной поверхностью и поглощение клеткой жидкости), хемотаксис (перемещение клетки, обусловленное градиентом концентраций каких-либо вещества в среде) и т.п. Мнхогие из периферически белков-компоненты цитоскелета (совокупность филаментов и микротрубочек цитоплазмы) и связанных с ним сократительных элементов, которые обусловливают форму клетки и ее движение.
Ферментативная активность присуща многим мембраносвязанным белкам, причем мембраны различных клеток и отдельных органоидов имеют свой характерный набор ферментов. Как правило, ферментные белки располагаются в биологические мембраны в определенном порядке, который делает возможным последовательное протекание реакций метаболии, цикла.
Молекулярная организация мембран. Структурная основа биологических мембран - липидный бислой. В продольной плоскости биологические мембраны представляет собой сложную мозаику из разнообразных липидов и белков, причем их распределение по поверхности биологические мембраны неоднородно. В некоторых биологические мембраны имеются обширные участки липидного бислоя, практически свободные от белков (напр., в эритроцитах белки занимают только 35% площади поверхности всей биологические мембраны, в микросомах-23%). При высоком содержании белка в биологические мембраны 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 различных физических состояниях - гелевом и жидкокристаллическом. Часть липидов в биологические мембраны может находиться также в составе так называемых небислойных фаз (мицеллярная фаза, гексагональная фаза и др.). Ассоциации липидов в биологические мембраны способствует также их взаимодействие с многозарядными катионами (Са2+ , Mg2+ и др.), периферическими белками, некоторыми мембраноактивными веществами (напр., гормонами).
Специфическое взаимодействие между отдельными белками приводят к тому, что в биологические мембраны образуются белковые ассоциаты, или ансамбли, которые по составу и свойствам отличаются от окружающих участков мембраны и часто окружены липидами определенного типа. Иногда липопротеиновые участки биологические мембраны, содержащие характерный набор белков и липидов, удается выделить при фрагментации мембран. Образование ассоциатов белков может происходить также в результате их специфического связывания на поверхности биологические мембраны с некоторыми 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 биологические мембраны связана также со структурными и функциональными различиями наружной и внутренних сторон мембраны, обусловленными неодинаковым распределением отдельных компонентов (белков, липидов, углеводов и др.). Характерный пример асимметрического распределения липидов - плазматическая мембрана эритроцитов. Холинсодержащие фосфолипиды (фосфатидилхолин и сфингомиелин) преобладают у них на наружной стороне мембраны, а фосфатидилэтанол-амин, фосфатидилсерин и фосфатидилинозит связаны преимущественно с ее внутренней поверхностью, обращенной в сторону цитоплазмы. Сходное распределение фосфолипидов обнаружено в плазматических мембранах др. животных клеток.
Если асимметрия в расположении липидов в большинстве случаев в биологические мембраны 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 b5всегда локализован только на цитоплазматической стороне мембраны эндоплазматического ретикулума. 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 цитоплазматической стороне мембраны. Строго определенную ориентацию в биологические мембраны имеют все молекулы бактериородопсина, у которого полипептидная цепь несколько раз пересекает липидный бислой, а также сложные белковые комплексы, состоящие из нескольких субъединиц (напр., цитохромоксидаза, аденилатциклаза).
Отдельные компоненты М. б. могут менять свое взаимное расположение, перемещаться в ней на значительные расстояния, а также покидать мембрану или внедряться в нее в ходе различных метаболических процессов. Такая динамичность позволяет биологические мембраны быстро адаптироваться к изменению условий окружающей среды и оперативно откликаться на разнообразные внешние сигналы и стимулирующие воздействия.
Динамические свойства биологические мембраны обусловлены текучестью липидного бислоя, гидрофобная область которого в жидкокристаллическом 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 внутримолекулярные движения углеводородных цепей. Они происходят путем гош-транс-поворотов смежных звеньев углеводородной цепи вокруг связи С—С. Благодаря высокой конформац. 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".
Внутримолекулярная подвижность различных участков липидной молекулы, находящейся в бислое, неодинакова. Наименьшей 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 метильных групп. Довольно высокой недвижностью обладает также полярная головка липидной молекулы.
Помимо движений отдельных участков липидной молекулы относительно друг друга в жидкокристаллическом 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 коэффициенте латеральной диффузии липидов ок. 10-8см2.с-1, измеренном для многих биологических мембран, 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 нескольких часов или даже дней. Однако в некоторых мембранах скорость флип-флопа биологические мембраны 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 взаимодействии с белками. Предполагается, что интегральные белки окружены пограничным слоем липидных молекул (так называемые аннулярные липиды), подвижность которых ограничена или, по крайней мере, нарушена в результате контакта с неровной поверхностью белковой глобулы.
Внутримолекулярная 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. Многие мембранные белки способны легко диффундировать вдоль мембраны и обладают довольно высокой вращательной подвижностью. Но даже в случае самых подвижных белков измеряемые коэффициенты диффузии примерно на порядок ниже, чем для липидных молекул. Времена вращательной релаксации для интегральных белков лежат в диапазоне от 20 до 500 мкс, а коэффициент латеральной диффузии (вдоль бислоя) варьирует от 7.10-9 до 10-12см2.с-1.
Быстрая диффузия белков вдоль мембраны наблюдается только в жидкокристаллическом 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 биологические мембраны их ассоциация с образованием крупных агрегатов или даже двухмерных кристаллических структур, взаимодействие с периферическими белками, связывание с элементами цитоскелета и т.п.
Исследования биологические мембраны представляют собой важную, активно развивающуюся область современной биологии. С успехами в области изучения мембран связаны многих достижения в медицине, например установление механизмов возникновения некоторых сердечнососудистых заболеваний и поиск подходов к их лечению. Идеи и методы, возникшие при исследовании мембран, находят широкое применение в онкологии, технологии создания искусственных органов, в трансплантационной 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.
Лит.: Ивков В. Г., Берестовский Г. Н., Динамическая структура ли-пидного бислоя, М., 1981; Бергельсон Л. Д., Мембраны, молекулы, клетки, М., 1982; Ивков В. Г., Берестовский Г. Н., Липидный бислой биологических мембран, М., 1982; Кагава Я., Биомембраны, пер. с япон., М., 1985; Сим Э., Биохимия мембран, пер. с англ., М., 1985; Болдырев А. А., Введение в биохимию мембран, М., 1986; Биологические мембраны, под ред. Дж. Б. С. Финдлея и В. X. Эванза, пер. с англ., М., 1990. Л. И. Барсуков.
