Химический состав и строение биологических мембран клеток

Концепция бимолекулярной липидной мембраны получила дальнейшее развитие в предложенной в 1935 г. модели Дэвсона-Даниелли, или модели "сэндвича", в которой предполагалось, что белки покрывают поверхность липидного бислоя. Это была необыкновенно удачная модель, и в течение последующих 30 лет многочисленные экспериментальные данные, особенно полученные с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии, полностью подтвердили ее адекватность. Однако тогда же обнаружилось, что мембраны выполняют огромное множество функций, и чтобы объяснить этот феномен, исходная модель Дэвсона-Даниелли неоднократно подвергалась модификациям.

Быстрый прогресс в мембранологии, в результате которого сформировались современные представления, был достигнут в значительной мере благодаря успехам в изучении свойств мембранных белков. Электронно-микроскопические исследования с применением метода замораживания-скалывания показали, что в мембраны встроены глобулярные частицы. Тем временем биохимикам с помощью детергентов удалось диссоциировать мембраны до состояния функционально активных "частиц". Данные спектральных исследований указывали, что для мембранных белков характерно высокое содержание а-спиралей и что они, вероятно, образуют глобулы, а не распределены в виде монослоя на поверхности липидного бислоя. Неполярные свойства мембранных белков наводили на мысль о наличии гидрофобных контактов между белками и внутренней неполярной областью липидного бислоя. Тогда же были разработаны методы, позволившие выявить текучесть липидного бислоя. Сингер и Николсон свели воедино все эти идеи, создав жидкостно-мозаичную модель. В рамках этой модели мембрана представляется как текучий фосфолипидный бислой, в который погружены свободно диффундирующие белки. Прежняя модель Дэвсона-Даниелли была статичной и успешно объясняла имевшиеся в то время структурные данные, полученные с довольно низким разрешением. В то же время начиная с 1970 г. большое внимание стало уделяться изучению динамических свойств и их взаимосвязи с мембранными функциями. В последние годы жидкостно-мозаичная модель тоже подверглась модификации, и этот процесс будет продолжаться. В частности, теперь стало ясно, что не все мембранные белки свободно диффундируют в жидком липидном бислое. Имеются данные о существовании латеральных до-j менов в самой мембране. Тщательно изучается также роль цитоскелета. Становится все очевиднее, что некоторые участки мембран, по-видимому, отличаются по своей структуре от классического липидного бислоя. Тем не менее в обозримом будущем жидкостно-мозаичная модель в ее разных модификациях будет служить в качестве концептуальной основы для многих мембранных исследований.

3. Морфология  мембран

Важную роль в выяснении  морфологии мембран сыграли два  метода: дифракция рентгеновских  лучей и электронная микроскопия. Именно с их помощью была подтверждена правильность бислойной модели. Однако следует иметь в виду, что при выяснении детальной картины молекулярной организации мембран оба этих метода сталкиваются с рядом ограничений.

3.1 Дифракция  рентгеновских лучей

При исследовании высокоупорядоченных  кристаллических образцов с помощью  метода дифракции рентгеновских  лучей удается получить информацию о структуре с высоким разрешением. В случае же малоупорядоченных препаратов возможности этого метода ограничены. Некоторые специализированные мембранные системы уже имеют регулярную структуру, и потому их можно изучать рентгено-структурными методами. Примером такого рода служит миелиновая оболочка периферических нервных волокон; она представляет собой мембрану, которая, многократно оборачиваясь вокруг аксона, формирует регулярную систему из концентрических мембранных структур. Исследования дифракции рентгеновских лучей на миелине, проведенные еще в 30-х гг., подтверждают адекватность бислойной модели мембран. К такому же выводу приводит и изучение наружного сегмента палочек сетчатки позвоночных, которые представляют собой природные упорядоченные мембранные системы, а также искусственно упорядоченных систем, которые образуются при коллапсировании в условиях центрифугирования мембранных везикул, полученных из митохондрий и эритроцитов. Во всех этих случаях наблюдалось сходное распределение электронной плотности в мембране, показанное на рис.1.4

Для интерпретации рентгеноструктурных  данных необходимо определить не только интенсивности рефлексов, но и их фазы. В случае регулярно упакованных  мембранных систем задача значительно  упрощается, поскольку эти системы  состоят из повторяющихся элементов  с центральной симметрией.

Полученные данные показывают, что структура всех мембран сходна: они имеют гидрофобную внутреннюю область с низкой электронной  плотностью и два слоя полярных группировок  с высокой электронной плотностью. Рентгеноструктурные данные, полученные для разных мембран, различаются  лишь незначительно, несмотря на большие  различия в содержании в них белка. Хотя рентгеноструктурные данные позволяют  получить некоторую информацию о  том, как расположена в мембране основная масса мембранных белков, в целом метод рентгеноструктурного анализа не дает детальной молекулярной картины.

Уилкинс и др. отметили в 1971 г., что метод дифракции рентгеновских лучей можно использовать и для изучения водных дисперсий мембран и фосфолипидов. При этом рефлексы, порождаемые полярными областями на обеих сторонах бислоя, позволяют найти его толщину, равную расстоянию между полярными головками, а по рефлексам, порождаемым упорядоченными углеводородными цепями, можно определить расстояние между этими цепями. И в этом случае мембранные препараты, полученные из разных источников, дали сходную дифракционную картину, что подтверждает универсальность бислойной модели.

Невозможность получения  с помощью метода дифракции детальной  молекулярной картины ограничивает применение этого метода для изучения биологических мембран. Однако он может  быть весьма полезен при исследовании упорядоченных липидно-водных систем.

3.2 Электронная  микроскопия

Просвечивающая электронная  микроскопия тонких срезов миелина, а фактически и всех остальных  мембран, выявляет характерную трехслойную  структуру, состоящую из двух электроноплотных полос, разделенных промежутком около 80 А. Такая картина получается в значительной мере в результате обработки препаратов четырехокисью осмия, обычно применяемой в этом методе. Робертсон назвал наблюдаемую структуру "унитарной", чтобы подчеркнуть ее универсальность, и хотя молекулярные механизмы прокрашивания мембран осмием неизвестны, эта структура рассматривалась как подтверждение справедливости бислойной модели мембраны. Ясно, однако, что при подготовке препаратов для просвечивающей электронной микроскопии мембраны могут подвергаться неблагоприятным воздействиям. В частности, известно, что обработка четырехокисью осмия приводит к значительной потере белка из эритроцитарной мембраны. И хотя наблюдаемая при этом трехслойная структура в некоторой степени отражает организацию бислойных мембран, более детальные сведения относительно локализации белков этим методом получить не удается.

Некоторую информацию о расположении мембранных белков дали новые методы, ставшие теперь уже "классическими", - методы замораживания-скалывания и  замораживания-травления. В этих случаях  препараты быстро замораживают, не подвергая их при этом каким-либо повреждающим воздействиям, как при получении тонких срезов. Процесс подготовки препарата включает следующие операции.

После замораживания образец, представляющий собой суспензию  клеток или мембран, скалывают с  помощью ножа при низкой температуре  в глубоком вакууме. Возникающие  при скалывании усилия приводят к  образованию среза, проходящего  через образец. Оказалось, что, когда  плоскость среза проходит через  мембрану, последняя раскалывается  преимущественно по своей срединной  области и расщепляется на две  половинки. В результате на образовавшихся плоскостях скола обнажается внутренняя область мембраны.

При необходимости образец  подвергают травлению - проводят обычную  возгонку льда в вакууме. Это позволяет  лучше визуализировать поверхностные  структуры клеточных мембран.

После этого получают так  называемую реплику с обнаженной поверхности. Именно эту реплику  и изучают под электронным  микроскопом. Для получения реплики  сначала напыляют на образец платину  под углом около 45°, чтобы выявить  топологические характеристики препарата. Затем платиновой реплике придают  механическую прочность, нанеся на нее  слой углерода. После этого препарат оттаивают, реплика всплывает, и  ее вылавливают с помощью специальной  сеточки.

Наиболее характерные  структуры, наблюдаемые при изучении мембран методом замораживания-скалывания, - это многочисленные внутримембранные частицы диаметром от 80 до 100 А, лежащие в плоскости мембранных сколов. Обычно они расположены хаотично, но иногда образуют группы. Многочисленные исследования показали, что эти частицы, возможно, являются мембранными белками. Любопытно, что при электронной микроскопии тонких срезов подобные структуры не обнаруживаются. Реплики, полученные от двух половинок расщепленной мембраны, не всегда бывают топологически комплементарными. Это означает, что некоторые частицы связаны только с одной из половин мембраны. Данные, полученные методом замораживания-скалывания, широко использовались Сингером и Николсоном при создании жидкостно-мозаичной модели мембран, поскольку они убедительно показывали, что глобулярные белки находятся не только на поверхности мембраны, но и внутри бислоя.

На рис.1.6 приведена электронная  микрофотография препарата протеолипосом, реконструированных из яичного фосфатидилхолина и нефракционированного препарата белка полосы 3 из мембраны эритроцитов человека; препарат получен методом замораживания - скалывания.

Белок полосы 3 является основным белковым компонентом мембраны эритроцитов  и, как известно, осуществляет перенос  анионов. Если фосфолипидные везикулы не содержат этого белка, то полученные препараты замороженных сколов имеют  гладкую поверхность.

При встраивании белка  полосы 3 в фосфолипидные везикулы на сколах появляются внутримембранные частицы, практически неотличимые от частиц, наблюдаемых в мембранах эритроцитов. Более того, при рН 5,5 частицы, наблюдаемые в мембране эритроцитов, агрегируют, причем эта агрегация осуществляется в результате взаимодействия белка полосы 3 с двумя другими белками, спектрином и актином.

Последние являются компонентами цитоскелета, находящимися на внутренней поверхности эритроцитарной мембраны. Аналогичным образом ведет себя и реконструированная система, состоящая из белка полосы 3 и фосфатидилхолина, при этом агрегация частиц наблюдается в присутствии спектрина и актина при рН 5,5, но не при рН 7,6.

Эти данные еще более упрочили представление о мембранных белках как о глобулярных частицах, свободно перемещающихся в плоскости мембраны. Интересно, что статичные микрофотографии  препаратов, полученных методом замораживания-скалывания, помогли исследователям в изучении динамических свойств мембран. Как  мы увидим, в мембранах есть много  белков, которые не могут свободно плавать в "липидном море".

4. Выделение  мембран

В течение последних трех десятилетий становилось все  более очевидно, что огромное большинство  клеточных функций осуществляется при непосредственном участии мембран.

И растительные, и животные клетки разделены на отсеки, причем многие цитоплазматические органеллы, как было показано в разд.1.1, имеют  мембранную природу.

Кроме органелл, характерных  для большинства клеток, имеются  и специализированные мембранные системы, такие, как саркоплазматический ретикулум мышечных клеток, миелиновая оболочка периферических нервных волокон, тилакоидные мембраны хлоропластов и мембраны дисков в палочках сетчатки. У прокариотических организмов также имеются мембраны, хотя и не настолько развитые, как у эукариотических.

Грамположительные бактерии, например Bacillus subtilis, имеют лишь цитоплазматическую мембрану, а грамотрицательные, такие, как Escherichia coli, - еще и наружную, расположенную поверх тонкой пептидогликановой клеточной стенки.

В клетках прокариот обнаружены также некоторые специализированные органеллы. Некоторые вирусы, патогенные для животных, например вирусы с  оболочкой, имеют самую настоящую  мембрану, причем такие мембраны оказались  чрезвычайно интересными для  изучения.

Исследование мембран, как  правило, сопряжено с их очисткой, при этом для каждого типа мембран  характерны свои условия препаративного выделения.

Так, если предстоит исследовать  плазматическую мембрану каких-либо клеток, то сначала необходимо выделить эти  клетки из ткани. Затем нужно подобрать  оптимальные условия разрушения клеток и отделения мембран, представляющих интерес, от других клеточных компонентов. Особого внимания заслуживают критерии чистоты выделенных мембран.

4.1 Разрушение  клеток

Желательно выбирать такую  методику, которая позволяет эффективно разрушить сами клетки при сохранении структуры мембран, подлежащих выделению. Для многих животных клеток можно  использовать такую относительно мягкую процедуру, как гомогенизация в  гомогенизаторах Даунса или Поттера-Элвехейма со стеклянными стенками и тефлоновым пестиком. При этом клетки разрушаются за счет сдвиговых усилий, возникающих при продавливании суспензии через узкий зазор между тефлоновым пестиком и стеклянной стенкой гомогенизатора. При такой обработке "срывается" плазматическая мембрана и разрушаются связи между различными органеллами при сохранении целостности самих органелл. С помощью такой процедуры можно также отделить друг от друга специализированные участки плазматической мембраны, например ба-золатеральную или апикальную области мембраны эпителиальных клеток. Желательно работать в условиях, когда целостность органелл сохраняется, чтобы свести к минимуму возможность высвобождения гидролитических ферментов и облегчить последующие операции по разделению мембран.