ты, связанные с транспортом ионов и метаболитов через мембранный барьер, тоже локализованы в этой структуре (см. ниже).

Благодаря инвагинациям плазматическая мембрана может образовывать единое целое с протяженными каналами, которые «вводят» окружающую среду далеко «внутрь» клетки и участвуют в формировании пространства между внутренней и внешней мембранами ядра. Эта система каналов находится в постоянной взаимосвязи с внеклеточным окружением. Некоторые другие внутриклеточные мембранные структуры (эндоплазматическая сеть) обладают общими с плазматической мембраной основными физическими свойствами. Микроворсинки (многочисленные, очень маленькие инвагинации) наблюдаются в мембранах клеток почечных канальцев (обращены в просвет канальца), в кишечном эпителии (обращены в просвет кишки) и в печени (обращены в желчные протоки).

Плазматические мембраны представляют собой двухслойные структуры толщиной от 6 до 1С нм. Белки и липиды, основные компоненты мембраны, обычно находятся в соотношении 1 : 1, но в некоторых случаях, например в миелине (гл. 37), концентрация липида может превышать концентрацию белка. Главные мембранные липиды — это фосфоглицериды, гликолипиды и холестерин. Белки, в основном представленные гликопротеидами, целесообразно разделить на два вида: периферические и интегральные. Первый термин используется для обозначения тех гликопротеидов, которые

II. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА 371

Рис. 11.5. Мозаичная модель структуры мембраны, поясняющая расположение липидов и глобулярных белков (поперечный срез). Фосфоглицериды изображены в виде прерывистого бислоя; их ионные и полярные головки находятся в контакте с водой. Некоторое количество липида может структурно отличаться от основной массы липида, ио это на рисунке не показано. Интегральные белки, сложные полипептидные цепи которых обозначены толстыми линиями, показаны в виде глобулярных молекул, частично погруженных в мембрану и частично выступающих из нее. На поверхности выступающих участков располагаются ионные остатки (— и +) белка, а неполярные остатки в основном находятся в погруженных участках. Степень погружения интегральных белков, и в особенности их способность пронизывать всю толщу мембраны, зависит от размера и структуры молекул. Стрелка показывает поверхность расщепления мембраны, которая, вероятно, возникает при криоскалывании экспериментальных образцов. [Singerand S. J., Nicolson G. L., Science, 175, 720, 1972; © 1972 by American Association for Advancement of Scieice.]

легко экстрагируются из плазматической мембраны водными не содержащими поверхностно-активных веществ (ПАВ) растворителями, в то время как интегральные гликопротеиды более тесно связаны с мембраной и легко могут быть солюбилизированы с помощью ПАВ, которые разрушают липидный бислой.

Обобщенная модель плазматической мембраны схематически показана на рис. 11.5. Хотя на рисунке липиды представлены только фосфоглицеридами, холестерин и гликолипиды также присутствуют в мембране. Липидный бислой асимметричен с точки зрения состава двух его частей (слоев), т. е. наружная часть отличается от внутренней, как об этом свидетельствуют ориентация транспортных систем (см. ниже) и локализация сахаридов на внешней поверхности. Так, в мембране эритроцита человека (гл. 32) сфинго-миелин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилсерин находятся преимущественно во внутренней части бислоя, а фосфатидилхо-лин —в наружной. Физиологические последствия такой асимметрии неясны, но возможно, что они выражаются в неодинаковой степени разжиженности каждого из монослоев. Кроме того, более высокая доля фосфоглицеридов, несущих отрицательный заряд, па

24·

372

III. МЕТАБОЛИЗМ

Рис. 11.6. Мозаичная модель структуры мембраны, показывающая расположение глобулярных белков в липидном матриксе (жидко-мозаичная модель); схематическое трехмерное изображение мембраны в разрезе. Массивные образования с заштрихованными поверхностями изображают глобулярные интегральные белки, которые беспорядочно и на больших расстояниях друг от друга распределены в плоскости мембраны. При близком соседстве некоторые, как показано, могут образовать специфические агрегаты. [Singer S. J., Nicolson G. L., Science, 175, 720, 1972; © 1972 by American Association for the Advancement of Science.]

внутренней стороне мембраны может облегчить ионные взаимодействия с компонентами, связанными в мембране и находящимися на ее поверхности.

Глобулярные белковые молекулы мембраны рассматриваются как структурно асимметричные. Подобно фосфоглицеридам, они также имеют одну полярную область и одну неполярную область (домен), которая и входит в жидкий липидный матрикс. В полярной области белковой глобулы, находящейся в контакте с водной фазой, собраны ионизованные остатки аминокислот и все ковалентно связанные углеводные остатки. В неполярной области отсутствуют ионизованные и углеводные остатки. Эта область белковой глобулы погружена в гидрофобную внутреннюю часть мембраны. Интегральные белки, «прошивающие» мембрану, закреплены таким образом, что их полярные участки обращены внутрь и наружу, а область их гидрофобного центра располагается между ними. На рис. 11.6 приведена схема поперечного разреза мембраны, построенная с учетом этой концепции.

П. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

373

Неотъемлемую часть обсуждения структуры мембраны, так же как и обсуждения структуры других органелл, составляет концепция самосборки (гл. 25). Если клетка должна располагать генетическими «инструкциями» для производства разнообразных белков, липидов, углеводов и т. д., то для формирования мембраны не требуется такого рода инструкций. Мембрана возникает в результате взаимодействия молекул определенной химической структуры. В самом деле, функциональный интегральный белок, добавленный в суспензию мембранных фосфоглицеридов, немедленно образует везикулы (пузырьки), в которых белок соответствующим образом погружен в липид, и все молекулы белка одинаково ориентированы, т. е. если белок является ферментом, его активный центр находится пли снаружи, или внутри пузырька и активность проявляется в том случае, если субстрат расположен таким же образом.

Жидко-мозаичная структура мембран с некоторой латеральной подвижностью ее компонентов допускает осуществление физических или химических перестроек мембраны, которые могут оказать влияние на специфические мембранные компоненты или вызвать их изменение. В результате таких перестроек может произойти перераспределение мембранных компонентов посредством поступательной диффузии через вязкие двумерные растворы, что в свою очередь вызывает появление новых взаимодействий между подвергшимися изменениям компонентами.

Множество явлений свидетельствует о справедливости концепции жидкоподобного состояния мембраны, которое зависит от природы жирнокислотных остатков, входящих в состав мембраны. Чем выше степень их ненасыщенности, тем сильнее выражена степень разжижениости мембраны. Насыщенные алифатические цепи и стерины вызывают повышение вязкости мембраны и ограничивают латеральное движение молекул белка в плоскости мембраны.

Мембранные белки могут также быть либо иммобилизованы, либо ограничены в подвижности в связи с присутствием связанных с внутренней поверхностью мембраны особых структурных образований — микрофиламентов и микротрубочек (см. ниже). Обнаружение этой роли цитоскелетных структур в латеральной подвижности молекул в мембране привело к модификации жидко-мозаичной модели мембранной структуры. Одна из таких моделей показана на рис. 11.7.

Предлагаются три дополнительных ограничительных механизма: во-первых, ассоциация или агрегация мембранных компонентов путем взаимодействий по горизонтали; во-вторых, закрепление ¦мембранных компонентов в специфических липидных областях или исключение из них (выталкивание) и, в-третьих, ограничение подвижности периферическими мембранными компонентами на внут-

374

III. МЕТАБОЛИЗМ

Рис. 11.7. Модифицированный вариант жидко-мозаичной модели структуры мембраны. ?? и Т2 —различные моменты времени. Одни гипотетические интегральные гликопротеиды мембраны не сопряжены с другими компонентами и способны к латеральной диффузии в плоскости мембраны, образованной жидким бислойным матриксом, а другие, как, например, интегральный гликопротеидный комплекс GPi, могут быть «заякорены» или их движение относительно затруднено цитоскелет-ным ансамблем ? из микрофиламентов и микротрубочек. В определенных условиях некоторые интегральные мембранные комплексы GP2 могут перемещаться с помощью связанных с мембраной цитоскелетных компонентов в ходе энергозависимого процесса. [Nicolson G. L., Biochim. Biophys. Acta, 457, 61, 1976.]

ренней или внешней мембраной поверхности. Некоторые механизмы, ограничивающие латеральную подвижность компонентов клеточной поверхности, изображены на рис. 11.8.

11.3.2. Основные черты явлений переноса

Процессы движения растворенных веществ через мембраны могут быть опосредованными или неопосредованными. Неопосредованный транспорт растворенного вещества представляет собой чисто физическую диффузию вещества вдоль его концентрационного градиента. Диффундирующая молекула во время прохождения через мембрану не модифицируется химически и не соединяется с другими видами молекул. Для опосредованных, или облегченных, мембранных транспортных процессов характерны кинетика насыщения (т. е. транспортная система может насыщаться транспортируемым растворенным веществом) и специфичность к транспортируемому веществу.

Возможность опосредованного транспорта обусловливается белками, способными обратимо связывать специфические субстраты. Эти транспортирующие молекулы белка имеют различные названия: транспортные системы, переносчики, носители или трансло-казы.

И. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

375

а. Агрегация или ассоциация в плоскости мембраны

ИИ

И1

ассоциация белков

6. Образование Эоменов

ассоциация липиЭов

Ж

беспорядочно закрепление

в,Периферийные белковые компоненты

Ш

внутренняя поверхность несопряженные наружная поверхность

г.Связанные с мембраной (цитостелетные) компоненты<