1. Распространенность мембран, выделение мембранных структур и основные функции мембран

Регуляцию взаимоотношений клеток и окружающей среды осуществляют специальные барьеры. Природа этих барьеров характеризуется чрезвычайным разнообразием, но в то же время некоторые их специфические черты являются общими для всех клеток. Для наглядности вообразим некий городок, окруженный частоколом (рис. 1), прочность и высота которого в разных местах различны. Такой частокол не преградит путь воде, ветру или даже небольшим живым существам. Однако более крупные существа могут проникнуть в городок только в том случае, если они способны летать, прыгать, лазать или в состоянии пройти через охраняемые ворота. Внутреннее пространство клетки в одних случаях представляет собой мало-дифференцированную полифункциональную систему, а в других состоит из нескольких более или менее обособленных областей, отгороженных друг от друга барьерами.

Рис. 1. Так можно представить себе роль поверхностной мембраны в клетке

Наиболее важным барьером клетки является плазматическая мембрана (называемая также цитоплазматической или поверхностной мембраной); она может либо одна отграничивать клетку от внешней среды, либо входить в состав более сложно организованной поверхностной структуры. Внутриклеточные барьеры, ограничивающие отдельные отсеки, также представлены мембранами. Число таких мембранных структур и их сложность зависят от типа клетки.

Все клеточные мембраны, как внешние, так и внутренние, построены из белков и фосфолипидов. Физико-химическая природа биологических мембран, а также пути реализации их функциональной активности и составляют предмет настоящей книги.

Сложность и значение биологических мембран полностью оценили только после развития методов электронной микроскопии, с помощью которых удалось показать универсальность мембранных структур как важнейшей составной части клетки. Обычный метод подготовки клеточного материала для электронно-микроскопического исследования включает фиксацию клеток забуференным раствором четырехокиси осмия, обезвоживание, изготовление ультратонких срезов и окрашивание их солями тяжелых металлов, например уранилацетатом. С помощью электронного микроскопа на приготовленных таким образом срезах можно легко идентифицировать липопротеидные мембраны по характерному признаку - трехслойному строению (рис. 2). На микрофотографиях эти мембраны выглядят как пара близко расположенных непрерывных темных полос, разделенных более светлым пространством. Часто темные полосы выглядят так, как будто они построены из гранул, однако действительно ли это так, остается до настоящего времени неизвестным. Картина, которую мы наблюдаем на микрофотографиях, не является на самом деле непосредственным изображением физиологически активной мембраны, а отражает локализацию на мембране электроноплотных атомов металла. Эта локализация атомов металла первоначально определяется свойствами мембраны, но может измениться под воздействием дальнейших препаративных процедур.

Рис. 2. Трехслойное изображение липопротеидной мембраны на электронной микрофотографии (1 нм=10^-9 м=10Å)

Итак, картину, наблюдаемую на микрофотографиях, нельзя интерпретировать как изображение нативной биологической мембраны или какой-либо ее части. Вместе с тем сама способность биологических мембран давать трехслойные изображения на микрофотографиях может рассматриваться как их характерная черта. В деталях этого изображения, возможно, содержится некоторая информация о структуре и функциональных особенностях нативных биологических мембран.

О размерах мембраны судят, как правило, по суммарной ширине светлой и темных полос. Эта ширина варьирует у мембран, выделенных из различных источников. Имеются также значительные расхождения в количественных оценках, произведенных различными авторами, работающими с одними и теми же препаратами мембран. Подобные расхождения обусловлены, вероятно, тем, что в различных работах авторы пользуются разными методами для приготовления препаратов. Кроме того, результаты количественных измерений зависят от качества самих микрофотографий. Наиболее достоверные результаты удается получить в том случае, если измерять ширину полос по расстоянию между пиками на денситограммах при поперечном сканировании микрофотографий.