Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980
Мембраны и клеточные оболочки
Строение мембран
Модель строения мембраны в виде липидного бислоя
Мембраны состоят в основном из белков и липидов1 [10], весовое соотношение между которыми колеблется приблизительно от 1:4 в миелине до 3:1 в мембранах бактерий. Наиболее типичным можно» считать, однако, весовое соотношение этих компонентов 1:1. В мембранах иногда присутствуют также в незначительных количествах углеводы (менее 5 %) и следы РНК (менее 0,1%). Наличие липидных компонентов обусловливает такие свойства мембран, как высокое электрическое сопротивление, непроницаемость для ионов и других полярных соединений и проницаемость для неполярных веществ. Так, например, для большинства анестезирующих препаратов характерна высокая растворимость в липидах, обеспечивающая возможность их проникновения через мембраны нервных клеток.
По данным электронной микроскопии, толщина большинства мембран составляет приблизительно 7 нм; согласно данным по малоугловому рассеянию рентгеновских лучей, эта величина близка к 11 нм. Таким образом, мембраны очень тонки — их толщина соизмерима с размерами крупных молекул.
Гортер и Грендел в 1926 г. рассчитали, что содержание липидов в. мембранах теней эритроцитов достаточно для образования вокруг клетки липидного слоя толщиной 3,0—4,0 нм2. Результаты этих расчетов в совокупности с данными о том, что липиды способны агрегировать в водных растворах с образованием «мицелл», в которых углеводородные «хвосты» липидных молекул собраны вместе, а полярные «головы» как бы выходят в окружающий раствор, позволили Дж. Даниэлли в 1930 г. предложить ставшую впоследствии широкоизвестной модель мембран в виде липидного бислоя [12а] Основные черты этой модели представлены на рис. 5-1. За счет гидрофобных взаимодействий углеводородные цепочки липидных молекул удерживаются друг возле друга в вытянутом состоянии, тогда как полярные группы фосфолипидных молекул взаимодействуют с белковыми молекулами, расположенными по обе стороны от липидного бислоя.
В дальнейшем было предложено большое число других моделей, однако в качестве исходной идеи во всех этих моделях использовалось представление о липидном бислое [1]. Прямое и надежное подтверждение существования липидного бислоя дали электронно-микроскопические исследования. При окрашивании большинства мембран четырехокисью осмия или перманганатом калия можно наблюдать характерную трехслойную структуру (рис. 5-1), состоящую из двух темных полос толщиной ~2—2,5 нм и светлой полосы между ними толщиной ~2,5—3,5 нм.
1 Исключение составляют мембраны газовых вакуолей, встречающиеся в некоторых бактериях и сине зеленых водорослях. Эти тонкие мембраны (их толщина составляет приблизительно 2 нм) почти целиком состоят из белков [10а]
2 Гортер и Грендел смогли сделать правильное заключение лишь благодаря взаимной компенсации ошибок в их опытах по измерению поверхностного давления
РИС 5 1. А. Бимолекулярные липидные слои и мембраны
Как в миелине, так и в наружных члениках палочек сетчатки на электронно-микроскопических фотографиях видны близко прилегающие друг к другу пары таких мембран, суммарная толщина которых составляет 18 нм Аналогичные структуры можно наблюдать при помощи электронного микроскопа после окраски и фиксации фосфолипидов, находящихся в ламеллярной «жидкокристаллической» фазе. Для корректной интерпретации этих результатов необходимо ответить еще на ряд вопросов. Почему, например, ОsО4 окрашивает лишь внешний белковый слой, в то время как известно, что он реагирует по двойным связям углеводородных цепей липидов, образуя эфиры осмистой кислоты, которые в дальнейшем легко восстанавливаются до диолов и осмия? Почему мембраны, из которых экстрагирована большая часть липидов, не утрачивают способности окрашиваться четырехокисью осмия и имеют трехслойную структуру?
РИС. 5-1. Б. Электронно-микроскопическая фотография мембран теней двух эритроцитов, полученная методом замораживания — скалывания. На верхней части рисунка видна часть мембраны, прилегающая к цитоплазме. Гладкая область — это липиды; видны многочисленные частицы. В нижней части представлена наружная часть мембраны, которая содержит меньшее количество частиц. Пространство между мембранами заполнено оставшимся льдом. Электронные микрофотографии биологических мембран приведены также на рис. 1-2; 1-4 и в дополнении 1-В (С любезного разрешения К. Fisher.)
Обнаружение трехслойной структуры само по себе, по-видимому, мало о чем говорит. Очень трудной задачей является даже точное определение толщины мембран, не говоря уж о полной расшифровке структуры объекта, толщина которого составляет всего лишь 6—10 нм.