С Б О Р Н И К

Кулинария, Народная медицина, Здоровье

Мембраны живой клетки

Автор admin Опубликовано: Ноябрь - 13 - 2012

 

М.А. Островский – доктор биологических наук

В науке сегодняшнего дня проблема биологи­ческих мембран становится все более актуаль­ной. Для исследования мембран во всем мире создаются институты и лаборатории, полученные резуль­таты обсуждаются на съездах, симпозиумах. Обрела права гражданства новая отрасль науки — мембранология.

На IV Международном биофизическом конгрессе, ко­торый проходил в Москве, было обсуждено несколько сот докладов. И большая часть их касалась структуры и функции биологических мембран. Пожалуй, самые жаркие дискуссии разгорались именно на «мембранных заседаниях».

 

В чем же дело? Разве не было известно раньше, что каждая клетка животного и растительного организма ок­ружена оболочкой, мембраной? Конечно, об этом знали, но… не понимали, что мембрана в живой клетке — это не пассивная перегородка или стенка, а сложная молекуляр­ная машина, которая работает безостановочно и исключи­тельно эффективно. В ней может протекать одновременно множество разнообразных и взаимосвязанных реакций. Об этом легко спросить, а вот увидеть мембрану совсем не просто. Све­товой микроскоп здесь беспомощен, ибо тол­щина мембраны почти в 100 раз меньше дли­ны волны видимого све­та.

 

Недаром многие би­ологи еще сравнительно недавно даже сомневались, существует ли мембрана вообще. Да, существует; и это с несомненностью подтвердил электронный микроскоп. Толщина мембраны оказалась равной 75—80 ангстремам (ангстрем — стомиллионная доля сантиметра). Ее молекулярная архитектура удиви­тельно изящна. Эта тончайшая пленка напоминает трех­слойный пирог. Внутренний слой мембраны построен из молекул жиров — липидов. Наружные слои составляют белки. Внутренний липидный слой биологической мембра­ны довольно жидкий, по консистенции это скорее подсол­нечное масло, нежели сливочное. Белковые молекулы на­ружных слоев сравнительно глубоко вдаются в этот жид­кий слой, и молекулы липидов могут протискиваться меж­ду ннми и высовываться на поверхность мембранного пирога.

Химики знают множество липидов, но мембрана по­строена из жиров особых, так называемых фосфолипидов. В состав их молекул входит фосфор. Роль фосфора в орга­низме трудно переоценить. Это не только важнейший «винтик» в мембране, фосфор — еще и решающий хими­ческий элемент в энергетике живой клетки. Три его ато­ма входят в состав молекулы АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты — энергетической «валюты» в высокооргани­зованном государстве живых клеток — организме.

Молекулы фосфолипидов располагаются в центре био­логической мембраны в два ряда, как частокол. Ученые поэтому называют внутренний слой мембраны «сплошным билипидным слоем». Вытянутая в длину молекула фосфо­липида состоит из двух частей: растворимой и не раствори­мой в воде.

Водорастворимые фосфатные «головки» моле­кулы граничат и взаимодействуют с белками наружных слоев мембраны. Водонерастворимые «хвосты» — так на­зываемые жирные кислоты — обращены друг к другу. Белки в мембранах тоже особые, водонерастворимые. Требуются немалые химические ухищрения, чтобы извлечь их оттуда в пробирку и подробно изучить. Белки и фосфолипиды образуют в мембранах сложные и довольно прочные комплексы. Это не только кирпичи, не только строительные блоки биологической мембраны. Белково-липидные комплексы к тому же активно рабо­тающие детали молекулярной мембранной машины. Они, например, могут быть ферментами-катализаторами, в сот­ни и тысячи раз ускоряющими ход биохимических реак­ций, детекторами света и запаха, могут быть ответственны за постоянный биосинтез веществ в живой клетке. Но все возможные функции блоков биологических мембран живых клеток до конца еще не изучены.

 

Совсем недавно клетку представляли в виде ко­мочка желе — прото­плазмы, окруженной оболочкой, с ядром в центре. Теперь ученые изображают ее как переплетение и скопление мембран; клетка бук­вально начинена мем­бранами. Ее ядро окружено мембраной, митохондрии — энергетические фабрики живой клетки — построены из мембран, многие другие жизненно важные внутриклеточ­ные органеллы — тоже мембраны.

Поверхностная мембрана — это не что иное, как ба­рьер, ограждающий клетку от внешней для нее среды. Ис­следования последних 10—15 лет показали, что в мембра­ну встроен своеобразный биохимический насос. Он актив­но выкачивает из клетки в окружающее межклеточное пространство ионы натрия, где их и так предостаточно, и загоняет внутрь клетки ионы калия, которых там очень много. Активный транспорт веществ — одно из необходи­мых условий жизни клетки; при нарушении работы биоло­гического насоса клетка погибает.

Для перекачивания ионов через мембрану нужна энер­гия. Откуда же она берется? В клетке «сгорает» универ­сальное топливо — молекула АТФ. Чтобы использовать энергию, запасенную в АТФ, требуется специальное устройство — особый «насос». Им оказался молекулярный мембранный комплекс белка с фосфолипидом, который резко ускоряет «горение» АТФ и обеспечивает тем самым активное перекачивание ионов натрия и калия через мем­брану. Теперь уже не вызыва­ет сомнений, что жизне­деятельность, напри­мер, нервной клетки определяется свойства­ми ее поверхностной мембраны. Основная функция нейрона, как известно, заключается в передаче нервного сигнала — электрохимического импульса — к следующей нервной, мышечной или любой другой клетке.

Как это происходит? Участок мембраны, не пропускав­ший внутрь ионы натрия (снаружи, как мы помним, их много, а внутри мало), под «влиянием электрохимического нервного сигнала становится для них проницаемым. Как только ионы натрия прорвались внутрь клетки, менее чем через тысячную долю секунды в мембране «открываются ворота» теперь уже для калия, и он устремляется из клет­ки наружу.

 

В результате через мембрану течет ионный ток, который можно легко зарегистрировать на осцил­лографе. Во многих лабораториях мира химики и биологи общи­ми усилиями подбирают молекулярные ключи к биологи­ческим мембранам, стремясь разгадать механизм, управ­ляющий этими строго охраняемыми воротами клетки. Недавно из скалозубой рыбы, которую называют рыбой фугу, извлекли в чистом виде сильнейший нервный яд — тетродотоксин. В руках физиологов он стал великолепным инструментом для исследования мембран. Молекула тетродотоксина оказалась идеальной пробкой, закрывающей в мембране отверстия для ионов натрия. Образно говоря, тетродотоксин — это молекулярный замок, запирающий наглухо натриевые ворота в нервную клетку.

Наружная клеточная мембрана умеет многое. Она спо­собна различать вещества и пропускать внутрь клетки только «избранные». Представим себе две практически одинаковые молекулы глюкозы. Одна выделена из вино­града, другая синтезирована химиками и отличается от ви­ноградной только своей конфигурацией: похожа на нее, как правая рука на левую. Растения синтезируют «ле­вую» глюкозу, и только ее пропускает мембрана внутрь клетки.

 

Сравнительно недавно выяснилось, как действует инсу­лин — препарат, используемый для лечения больных диа­бетом. Оказалось, что инсулин — также своеобразный мо­лекулярный ключ: он распахивает ворота в мембране клетки для молекулы сахара, но не для всякого, а только для молекулы натурального сахара. Советские ученые, изучающие функции биологических мембран, установили, что многие антибиотики могут в ты­сячи раз увеличивать проницаемость мембран для некото­рых ионов, например, жизненно важного иона калия. Ре­зультаты этих исследований открывают новые возможно­сти целенаправленного синтеза высокоэффективных ле­карственных препаратов для клинической практики. Митохондрии и хлоропласты, как две фабри­ки, обеспечивают все клетки животных и рас­тений энергией. Они весьма похожи друг на друга, их мембранные системы по своей струк­туре очень сходны.

 

Все мы знаем, что первичным источником энергии на Земле служит Солнце. Сложнейшие фотохимические и биохимические реакции, совершающиеся в мембранах хлоропласта зеленого листа, осуществляют трансформацию солнечной энергии в энер­гию жизни.

Конечным продуктом фотосинтеза является молекула глюкозы, в ней как бы законсервирована солнечная энер­ия. В клетке растения более половины всей энергии, за­пасенной в глюкозе, в процессе дыхания переходит в энер­гию АТФ. Высочайший коэффициент полезного действия! Вспомним, что в самой совершенной технической установ­ке при сгорании топлива больше одной трети энергии не удается превратить в энергию механическую или электри­ческую.

Митохондрия — уникальная живая фабрика в клетке, которая преобразует энергию питательных веществ в энер­гию АТФ. В клетке живого организма содержится от 50 до 5 тысяч митохондрий (например, в клетке печени их около тысячи). Митохондриальная биоэнергетическая фаб­рика достаточно велика — три-четыре микрона. Она видна в световой микроскоп, однако изучить ее внутреннюю структуру удалось только с помощью электронного микро­скопа.

 

Митохондрия имеет две мембраны: внутренняя об­разует складки, заходящие внутрь этой клеточной органеллы. На внутренних мембранах митохондрий и происходит образование молекул АТФ. Здесь строго фиксирован слож­нейший конвейер биохимических реакций.

Много нового стало из­вестно сейчас о мем­бранах разных клеток организма — микроворсинках клеток пи­щеварительного тракта, мембранах клеток кро­ви, нервных клеток, ре­цепторных клеток орга­нов чувств. Закономерен вопрос: находят ли применение в клини­ке новые данные о строении клетки, о структуре и функ­ции мембран?

Доказано, что при очень многих болезнях в первую очередь страдают именно мембраны. Так, в процессе ра­кового перерождения клетки повреждаются ее мембраны, в том числе мембраны митохондрий. При некоторых бо­лезнях крови специфически изменяются мембраны эритро­цитов. В случае рассеянного склероза и ряда других за­болеваний нервной системы повреждаются мембраны нерв­ных волокон.

Очень наглядна взаимосвязь между некоторыми глаз­ными болезнями и нарушениями в структуре мембран зри­тельных клеток — палочек и колбочек.

 

 

Свет, попадающий в глаз, поглощается так называемыми наружными сегмен­тами этих вытянутых в длину клеток. Наружный сегмент зрительной клетки представляет собой огромную стопку наложенных друг на друга светочувствительных розовых мембран. Эти мембраны — их называют фоторецепторны­ми — и поглощают свет, попадающий в глаз. В них начи­нается сложный многоступенчатый акт зрения. Фоторецепторная мембрана, как сейчас установлено, в основном состоит из молекул зрительного пигмента. Важ­нейшей частью этих молекул является витамин А. Зри­тельный пигмент на свету обесцвечивается, разрушается, из розового становится желтым. Чтобы он мог восстано­виться, требуется доставка из крови витамина А. Иначе, родившись и взглянув на белый свет, мы бы ослепли.

 

Недостаток в организме витамина А или нарушение его транспорта к зрительной клетке приводит сначала к куриной слепоте — плохому сумеречному зрению. Но вполне возможны и более серьезные последствия. Почему? А потому, что нарушение процессов восстановления зри­тельного пигмента влечет за собой поломку молекулярной структуры фоторецепторной мембраны зрительной клетки. И пусть вся зрительная система — от нервных клеток сет­чатки до коры головного мозга — в полном порядке, по­вреждение мембран зрительных клеток приведет к слепоте. Выяснение причин болезней на уровне мембран — одно из перспективных направлений в развитии современной медицины. На этом пути нас ждут удивительные открытия и главное — новые, строго обоснованные методы лечения различных заболеваний. На главную страницу

 

рассказать друзьям и получить подарок
Получайте новые статьи прямо себе на почту. Заполните форму. Нажмите кнопку "Получать статьи"
Ваш e-mail: *
Ваше имя: *

Share this post for your friends:
Friend me:

Написать комментарий