6.11. Значение специфичных мембранных структур

Попытки описать количественно взаимоотношения между компонентами мембраны с помощью молекулярных моделей часто исходят из предположения о существовании открытой мембранной структуры, в которой большая часть липидных молекул находится в непосредственном контакте с водной фазой. Это хорошо согласуется с представлением о динамическом состоянии мембран, т. е. с представлением о том, что белки и липиды постоянно внедряются в мембрану и покидают ее. Модель открытой мембранной структуры согласуется также с данными о способности некоторых протеаз и фосфолипаз воздействовать на компоненты мембран, не разрушая при этом мембранной структуры. Уменьшение площади мембраны, которое происходит при удалении липидов из мембраны эритроцитов или из микросомной мембраны мышечных клеток в результате воздействия фосфолипазы С, также соответствует указанной модели.

Вместе с тем, воздействуя на мембрану протеолитическими ферментами, часто удается демаскировать гликопротеидные или гликолипидные антигены и рецепторы гормонов, первоначально экранированные компонентами мембраны. Деградация некоторых липидов становится возможной только после модификации мембранной структуры. Например, в интактных эритроцитах фосфатидилхолин не гидролизуется фосфолипазой С, выделенной из клеток Bacillus cereus, или панкреатической фосфолипазой А₂. Однако этот фосфолипид становится доступным в результате модификации мембраны сфингомиелиназой или детергентами.

То, в какой степени мембранная структура открыта для компонентов окружающей среды, может явиться фактором, определяющим процесс слияния мембран. Такое слияние протекает обычно с высокой специфичностью как в отношении типа, так и в отношении областей мембран, принимающих участие в этом процессе. Последнее обстоятельство указывает на неравномерное распределение соответствующих компонентов по поверхности мембраны. Представляется вероятным, что некоторые липиды и детергенты, способствующие слиянию мембран in vitro, увеличивают области липид-липидного контакта между мембранами или повышают совместимость липидных фаз, принадлежащих сливающимся мембранам. Слияние двух клеток различных типов, индуцируемое вирусами, можно объяснить включением в плазматическую мембрану каждой клетки оболочек вируса, которые, возможно, и определяют контакт между клетками на первых стадиях слияния.

Изменения состава мембраны оказывают значительное влияние на ее свойства. Удобной системой для изучения такого рода явлений служат ауксотрофные бактериальные мутанты, не способные к биосинтезу жирных кислот (гл. 5). Отдельные полиненасыщенные жирные кислоты, необходимые для нормального роста некоторых животных, не способных синтезировать эти жирные кислоты, должны обязательно входить в пищевой рацион этих животных. При дефиците незаменимых жирных кислот клетки образуют фосфолипиды, в состав которых входят "неправильные" ацильные остатки. Клеточные мембраны таких животных не могут осуществлять свои функции. Присутствие окисленных липидов в мембранах также может явиться причиной лабильности мембранных структур, например гемолиза, и ингибирования некоторых мембранных ферментов. Небольшие различия в белковом составе могут вызывать значительные изменения функциональной активности мембран, например при появлении или исчезновении ферментов, транспортных систем и антигенов.

Функциональная активность мембранных белков, так же как и активность белков в водном растворе, зависит от конфигурации белковой молекулы. Включение белков в состав надмолекулярных структур в мембране создает дополнительные возможности для реализации их функциональной активности, а также для регуляции этой активности с помощью специальных механизмов. Широкие возможности, которые открываются при регуляции кон- формационных состояний белков в мембранах, могут быть использованы в процессах, сопровождающихся такими существенными изменениями, как массивные ионные потоки в ответ на стимул в мембранах нервных и мышечных клеток, или в сложных, но чрезвычайно тонких процессах, контролирующих метаболическую активность митохондрий. Наличие конформационных изменений согласуется с данными по изменению флуоресценции при возбуждении нервных клеток. Реорганизация митохондриальной структуры, связанная с изменением функционального состояния митохондрий, как полагают, также обусловлена изменением конформационного состояния митохондриальной мембраны.

Наличие конформационных изменений в мембранных белках, принимающих участие в транспортных процессах, представляется еще более вероятным, хотя не во всех случаях существование таких конформационных изменений можно считать доказанным. Результаты исследования транспортных модельных систем с применением различных ионофоров (гл. 2) свидетельствуют о существовании двух механизмов транспорта веществ через мембраны. Первый механизм включает стадии образования комплекса между транспортируемым веществом и переносчиком и движение этого комплекса через мембрану. Второй механизм сводится к образованию пор в мембране. Транспорт веществ через биологические мембраны, осуществляющийся по первому механизму, предполагает участие в транспортном процессе небольших белковых молекул-переносчиков, характеризующихся гидрофобной поверхностью. Один из таких белков - белок, связывающий неорганический фосфат, - был недавно выделен из растворимой в хлороформе фракции белков митохондриальной мембраны. При наличии трансмембранных ионных градиентов или трансмембранного электрического потенциала диффузия подобных переносчиков может обеспечивать векторное движение веществ через мембрану (активный транспорт). В противоположность этому транспорт ионов Na⁺ и K⁺ или Ca²⁺ осуществляется белками, состоящими из двух полярных областей, локализованных на различных сторонах мембраны, и гидрофобной области, погруженной в неполярную фазу мембраны. Поворот или трансмембранное перемещение таких молекул представляется с термодинамической точки зрения маловероятным. Было бы разумнее предположить, что подобные белки, прошивая мембрану насквозь, образуют специальный канал, облегчающий движение транспортируемого вещества через мембрану или обеспечивающий его активный транспорт, сопряженный с превращением энергии в системе. Имеются определенные свидетельства в пользу того, что (Na⁺/К⁺)-АТФаза устроена подобным образом, однако, несмотря на большое число предположений, молекулярный механизм работы этой транспортной системы до сих пор остается невыясненным.

В начале первой главы мы говорили о том, что клеточная мембрана очень схожа с оборонительным сооружением, возможно с частоколом в небольшом городке, жизнь которого протекает в основном внутри этих защищающих границ. Однако впоследствии, рассматривая функции биологических мембран, а также динамические аспекты их структуры, мы убедились, что большая часть клеточных функций связана с активностью самой мембраны. Возможно, теперь более точным было бы сравнение мембраны с развитым фортификационным сооружением, защищающим город, который находится на постоянном осадном положении. Множество важных событий происходит на этих укреплениях, и одна из наиболее ответственных задач города - поддерживать их в безупречном состоянии. Выполнение этой задачи требует постоянного ремонта укреплений, их изменения и расширения, а также решения ряда внутренних и внешних проблем.

Взаимодействие с внешней средой