одимы не только для функционирования протонного насоса, но и для трансляции информационных сигналов из внешней среды во внутриклеточное пространство и для сопряжения окислительно-восстановительных реакций с системами подвижных водородных связей в каждой среде.

Митчелл предложил ввести в биофизику понятие «proti-city» по аналогии с «electricity», указывая на определяющую роль «протонных насосов» в энергетике живой клетки (Mitchell, 1976). Используя русские суффиксы, мы можем перевести этот термин как «протоника» (по аналогии с «электроникой») и использовать данное понятие не столько для процессов переноса энергии, сколько для процессов трансляции молекулярной информации между живыми клетками и организмами в водной среде.

Глава 2

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПЕПТИДОВ С КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНОЙ

Можно считать, что элементарной биологической единицей, способной самостоятельно существовать при отсутствии других живых организмов, является клетка. Она отделена от окружающей среды цитоплазматической (плазматической) мембраной, которая обеспечивает постоянство внутреннего состава клетки вне зависимости от изменений окружающей среды. Иначе говоря, она обеспечивает многие (но не все) механизмы саморегуляции клетки. Как известно, биологические мембраны состоят из фосфолипидов, образующих липидный бислой, и белков, встроенных в этот бислой. Иногда их называют интегральными белками. Механическая прочность таких мембран невелика и не может обеспечить защиту клетки от внешних механических повреждений. У простейших микроорганизмов (бактерий) дополнительную защитную роль играет внешняя клеточная стенка, основными компонентами которой являются пептидогликаны. Клетки высших организмов не имеют жесткой клеточной стенки, но их плазматическая мембрана окружена внешней оболочкой (так называемым экстрацеллюлярным матриксом, или гликокаликсом), который состоит главным образом из кислых полисахаридов и гликопротеинов.

Внутреннее пространство живой клетки содержит разветвленную сеть мембран эндоплазматического ретикулума. Кроме того, присутствующие в цитоплазме органеллы также окружены собственными мембранами (ядро, митохондрии, липосомы, пероксисомы). С точки зрения современной технической мембранологии, клетка эукариот является многокамерным и многофункциональным мембранным устройством. При таком подходе всю жидкость организма можно разделить на экстрацеллюлярную и интрацеллюлярную. Экс-трацеллюлярная жидкость включает интерстициальную жидкость, лимфу и плазму крови, что составляет приблизитель-

на

Таблица 9

Биологические мембраны разных классов (по: Кагава, 1985)'

Вид мембраны Место нахождения

Плазматическая Ядерная Лизосомальные, митохондриаль-ные и пероксисомальные Гладкий эндоплазматический ретикулум и шероховатый эндоплазматический ретикулум — место присоединения рибосом Внешняя клеточная оболочка, ба-зальная мембрана и клеточная стенка простейших Поверхность раздела клетки и внешней среды Поверхность, отделяющая ядро от клеточной протоплазмы Замкнутые органеллы внутри цитоплазмы Мембраны, образующие разветвленную сеть внутри клеточного пространства, соединенную с плазматической мембраной Внешняя поверхность клетки, отделяющая ее от окружающей среды

но 15.5 л в организме человека весом 70 кг. Объем интра-целлюлярной (внутриклеточной) жидкости достигает 26.5 л (Oxford Dictionary..., 1997). Эти объемы разделены плазматическими клеточными мембранами, площадь которых достигает многих сотен квадратных метров. Интрацеллюляр-ная жидкость содержит более высокие концентрации калия, магния, сульфатов и фосфатов и пониженные концентрации бикарбонатов и хлористого натрия по сравнению с экстра-целлюлярной жидкостью. Именно плазматические мембраны осуществляют интенсивный селективный двухсторонний транспорт этих солей, воды и метаболитов, однако особенности трансмембранных потоков высокоспецифичны для каждого типа тканей.

В работе Я. Кагавы (1985) предложена классификация биологических мембран высших организмов. С некоторыми сокращениями эта классификация представлена в табл. 9.

Подвижность плазматической и внутриклеточных мембран обеспечивается цитоскелетом — опорной структурой клетки, которая состоит из немембранных (ламеллярных) структур: микротрубочек и волокон.

В той области клеточной поверхности многоклеточного органа, где происходит взаимодействие с внешней средой (например, эпителиальных клеток тонкого кишечника с содержимым кишечника), расположено множество микровор-

106

синок, которые увеличивают реальную площадь поверхности для активного и пассивного транспорта метаболитов (Кагава, 1985). В области межклеточных контактов с помощью электронной микроскопии были обнаружены три типа структур: плотный контакт, щелевой контакт и контакт через коннексоны.

В зоне плотного контакта две плазматические мембраны полностью смыкаются, но при этом цитоплазматические пространства двух контактирующих клеток остаются изолированными друг от друга. Эти плотные межклеточные контакты наиболее развиты в эпителии кожи и в эндотелии капилляров мозга, являясь эффективными барьерами для воды и гидрофильных компонентов. В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением именно цитоплазматиче-ских мембран.

2.1. Строение фосфолипидного бислоя мембраны

Уже давно стало очевидным, что недостаточно рассматривать функции мембран живых клеток с точки зрения химических свойств компонентов, их составляющих, — требуется учитывать не только их физико-химические и электрохимические характеристики, но и пространственную организацию этих компонентов: асимметрию элементов и жидкокристаллическое состояние липидов. Липиды отличаются от трех других основных групп веществ, составляющих живые организмы (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты), тем, что не растворяются в водных средах. Эти светло-желтые пастообразные вещества хорошо растворяются в «липидных растворителях» — хлороформе, диэтиловом эфире, бензоле. Классификация разделяет липиды на несколько групп, из которых в состав плазматических мембран входят фосфолипиды и стерины, тогда как триглицериды (жиры) располагаются, как правило, в межклеточном пространстве.

Фосфолипиды представляют собой сложные эфиры глицерина, имеющие, как правило, разные заместители при 1, 2 и 3 углеродных атомах, при этом в позициях 1 и 2 располагаются длинноцепные гидрофобные заместители — алки-лы или алкенилы. А в позиции 3 через фосфорно-эфирную группу к липиду подсоединяются гидрофильные группы — холин, этаноламин, серии, глицерин, инозит и фосфорели-рованные формы инозита. Такая амфифильная природа фосфолипидов определяет их склонность к мицеллообразо-

107

ванию в водных растворах (критическая концентрация мицеллообразоваиия — ККМ порядка Ю-10 М) и термодинамически выгодную форму мицелл: двойной слой липидов, в котором полярные головки образуют две гидрофильные поверхности на расстоянии 75—80 А друг от друга, экранируя гидрофобные области (Препаративная биохимия липидов, 1981; Лишке, Шевченко, 1987). На рис. 9 представлены основные элементы структур наиболее часто встречаю