Структура и функции биологических мембран

Мембраны окружают всю цитоплазму и отграничивают ее от окружающей среды, а также. образуют оболочки всех органоидов и включений клетки: ядра, митохондрий, лизосом, аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума.

В настоящее время большинство ученых придержи­вается представления о структуре мембран в виде жидкостно - мозаичной модели. В соответствии с этой моделью, структурную основу мембраны образует двойной слой фосфолипидов инкрустированный белками. Липиды при физиологических условиях находятся жидком агрегатном состоянии. Это позволяет сравнить мембрану с фосфолипидным морем, по которому плавают белковые "айсберги". При этом согласно современным представлениям количество белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаковым. Тот факт, что не вся поверхность мембран покрыта белками, показал и метод ядерного магнитного резонанса.

Кроме фосфолипидов и белков в мембранах содержится много холестирина. Есть также гликолипиды, гликопротеиды и другие вещества.

Хорошая проницаемость мембран большинства клеток для воды и многих водорастворимых веществ позволяет предположить существование в мембранах особых отверстий — пор. Диаметр пор определяется косвенным путем по размеру водорастворимых молекул, которые еще способны проникать через мембрану. С помощью этого и других методов было установлено, что у большинства клеток диаметр пор составляет 0,35—0,8 нм. Поры могут иметь структуру длинного извитого канальца. Количество пор в мембране невелико. В эритроцитах, например, вся площадь, приходящаяся на их долю, со­ставляет примерно 0,06 % от общей поверхности мембраны.

Поры изнутри выстланы слоем молекул белка. Полярные группы молекул белка направлены в сторону отверстия поры, а неполярные вступают во взаимодействие с молекулами липидов. Благодаря на­личию полярных групп в порах они обычно обладают электрическим зарядом, что оказывает большое влияние на процесс проникновения растворенных частиц через поры.

Мембрана представляет собой элементарную структуру клеток. Мембраны образуют клеточные оболочки и оболочки органоидов клетки. Мембраны различных органоидов отличаются химическим составом и толщиной. Например, оболочки митохондрий, состоящие из пяти слоев белков и липидов, представляют собой дубликатуру элементарной мембраны.

В некотором отношении очень интересны мембраны лизосом. Как известно, лизосомы содержат ферменты, разлагающие все наиболее важные вещества клетки. Эти ферменты не могут только разлагать и переваривать свою собственную мембрану. При разрушении мембраны лизосом ферменты выходят в цитоплазму и наблюдается явление аутолиза—самопереваривания клетки.

Основные функции биологических мембран.

Из всех функций биологических мембран можно выделить три основные функции:

- барьерную, обеспечивающую избирательный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой. Избирательный означает, что одни вещества переносятся через мембрану, другие - нет; регулируемый - проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от различных факторов, например, функционального состояния клетки;

- матричная - обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков;

- механическая - обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

Кроме того, мембраны выполняют и другие функции:

- энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов;

- генерацию и проведение биопотенциалов;

- рецепторную (механическую, акустическую, обонятельную, зрительную, химическую, терморецепцию) и многие другие функции.

Общая площадь биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров, чем объясняется огромная их роль во всех процессах жизнедеятельности.

В клетках протекает сложнейшая сеть биохимических превращений, состоящая из тысяч отдельных реакций. Все эти реакции должны быть тем или иным способом отграничены друг от друга. Мембраны производят деление клетки на отдельные участки, фазы, где и протекают различные реакции. И в самом деле, мембрана, как правило, располагается на границе раздела двух фаз: наружная плазматическая мембрана отделяет внутреннюю среду клетки от наружной; мембраны митохондрий отделяют их матрикс от собственной цитоплазмы; мембраны ядра—кариоплазму от цитоплазмы; мембра­ны цитоплазматического ретикулума — содержимое ци­стерн от цитоплазмы и т.д. Все эти фазы отличаются друг от друга физико-химическими показателями: рН, концентрацией ионов, наличием ферментов, количеством воды, кислорода и т. д. Благодаря тому что мембраны создают границы раздела, возможно существование многих биохимических реакций.

Помимо того, что мембраны создают границы раздела между различными фазами, они принимают непосредственное участие во всех процессах обмена веществ, которые обусловливают жизнедеятельность клеток. Различного рода мембранные структуры в организмах составляют колоссальную поверхность—десятки тысяч квадратных метров. Такая обширная структурная систе­ма указывает на ее важное функциональное значение. Во всех мембранных структурах имеются ферментные системы. Во внутренней мембране митохондрий и эндо-плазматического ретикулума сосредоточены такие окис­лительные ферменты, как дегидрогеназы, флавины, цитохромы. В мембранных образованиях находятся также фосфатазы, ферменты активного переноса веществ (транслоказы, пермеазы), липолитические ферменты.

Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что поверхность мембран представляет собой то место в клетке, где протекает большинство биохимических реакций На это оказывает и тот факт, что фермент АТФ-аза, играющий ключевую роль в обмене веществ, локализован в основном на мембранах (кроме актомиозина, находящегося в саркоплазме).

Наконец, функция мембран заключается еще и в том, что они координируют и регулируют биохимические и биофизические процессы в клетках. Сейчас становится все более очевидным, что мембраны являются своеобразным устройством, воспринимающим сигналы, поступающие извне, и преобразующим их в команды, регулирующие обмен веществ внутри клетки. В выполнении данной функции большое значение имеет такое свойство мембран, как проницаемость. В результате изменения проницаемости меняется скорость поступления и выведения веществ, изменяются стационарные концентрации реагирующих веществ в клетках и, следовательно, скорости биохимических и биофизических процессов. На важное значение проницаемости мембран в регуляции обмена веществ указывает тот факт, что многие гормоны (инсулин, адренокортикотропный гормон, минерало-кортикоиды, антидиуретический гормон) оказывают биологическое действие путем изменения проницаемости клеточных мембран.

Нормальное состояние мембран клетки нарушается при многих заболеваниях, в особенности связанных с нарушениями гормонального и витаминного баланса организма. Обнаружены увеличение проницаемости мембран лизосом и выход в цитоплазму лизосомных ферментов пригипервитаминозе А, авитаминозе Е, при гипоксии, действии ионизирующих излучений, стрептолизина, эндотоксинов и т п. Кортизон и гидрокортизон, напротив, способны стабилизировать мембраны лизосом, что, возможно, является одной из причин противовоспалительного действия этих соединений.