КЛЕТЪЧНА МЕМБРАНА. МЕМБРАНЕН ТРАНСПОРТ. ЦИТОЗА

1. Клетъчна мембрана

         Всяка жива система се нуждае от граница, която да я отделя от външния свят. За клетката тази граница е клетъчната мембрана, наричана още цитоплазмена мембрана или плазмалема. Представлява двоен липиден слой с вмъкнати в него белтъци. (Липиди наричаме разнородна група съединения, слабо разтворими или практически неразтворими във вода).

         В еукариотната клетка мембрани, подобни на клетъчната, се простират и навътре в клетката, където изграждат мембранните органели. Обсъждането по-долу до голяма степен важи и за тези вътреклетъчни мембрани.

1.1. Мембранни липиди и образуване на двоен слой

         Всички липиди, изграждащи мембраните, имат молекула от две части с различни физико-химични свойства: хидрофилна глава и хидрофобна опашка. Главата е полярна или заредена, а опашката е въглеводородна. Този строеж имат не само мембранните липиди, а и цялата група на т. нар. повърхностно-активни вещества, към които спадат и обикновените сапуни. Във вода повърхностно-активните вещества не образуват истински разтвор, защото не се разпръсват сред молекулите на разтворителя. Вместо това молекулите им остават свързани помежду си така, че само главите им да са в допир с водата. На повърхността голям брой молекули застават една до друга с опашките нагоре и изграждат единичен слой (оттам и повърхностно-активните свойства, за които съдим по разпенването). В дълбочина се образуват т. нар. мицели. Това са кълбовидни струпвания от молекули с насочени навън глави и опашки, събрани във вътрешността, за да се скрият от водата (вж. вляво на долната фигура). В средата на мицела може да се вмести хидрофобна частичка (дадена в тъмночервено) и затова повърхностно-активните вещества имат миещо действие.



         Ако обаче сложим във вода не какво да е повърхностно-активно вещество, а липид от мембрана, той освен повърхностен слой и мицели ще образува и друг тип структура –мехурче от два долепени слоя липидни молекули, което е заобиколено от вода и същевременно пълно с вода. Тези мехурчета се наричат липозоми и са модел на биологичните мембрани, защото двойният липиден слой, който изгражда стената на липозомата, е основа на всяка мембрана. Съставящите го молекули са подредени по определен начин, който е най-изгоден във водна среда. Хидрофобните опашки на липидите от двата слоя са насочени навътре, една към друга, а главите са навън, на допирната повърхност с водата.

         Възниква въпросът защо някои повърхностно-активни вещества са естествено склонни да образуват двоен слой, а други, например сапуните, не могат да го образуват. Отговорът е в геометрията на молекулата. Опашката на сапуните се състои само от една верига на мастна киселина и затова цялата молекула може да се оприличи на конус. Фосфолипидите, които преобладават в състава на мембраните, имат опашка от две вериги на мастни киселини, поради което молекулата им е цилиндрична и подходяща за двойни слоеве. Фосфолипидната молекула се състои от глицерол, чиито две хидроксилни групи са естерифицирани с висши мастни киселини, а третата – с фосфорна киселина. Фосфорната киселина е отрицателно заредена и съставя хидрофилната глава. Обикновено към нея се свързва и положително заредено алкохолно производно, с което хидрофилният характер на главата се засилва. Формула и молекулен модел на един доста разпространен фосфолипид, наречен фосфатидил-холин, са дадени на адрес http://www.agen.ufl.edu/~chyn/age2062/lect/lect_06/4_18.GIF.

         Освен фосфолипиди мембраните съдържат и други липиди. Свойствата на двойния липиден слой се подобряват, ако към фосфолипидите се добавят известни количества стероиди. При животните използваният за целта стероид е холестеролът, чиято формула може да се види например от http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/lipids-cholesterol.html. Главата е една хидроксилна група, а опашката включва характерната за стероидите пръстенна структура и една въглеводородна верига, закачена за последния пръстен. Фактът, че холестеролът е абсолютно необходим за живота, не е много известен. Широката публика знае за този липид само, че е склонен (когато е в голямо количество) да се наслоява по стените на артериите и да ги запушва. Схема на двоен липиден слой с участие на холестерол има на http://www.cytochemistry.net/Cell-biology/membrane_intro.htm.

         Мембраните на повечето клетки освен фосфолипиди и стероиди съдържат и гликолипиди. Молекулата на гликолипидите има опашка от две мастни киселини като при фосфолипидите, но главата вместо фосфорна киселина съдържа един или няколко монозахаридни остатъка.

         Двойният липиден слой при физиологична температура е течен. Липидите свободно се движат чрез дифузия "хоризонтално" в рамките на слоя, в който се намират. Ако клетъчната мембрана и мембраните на органелите бяха твърди, клетката трудно би могла да се движи, да променя формата си, да нараства и да се дели. Логично е мембраните да са течни. Въпреки това до представата за течното състояние на мембраните се стига едва през 70-те години на ХХ в.

         Възможно е също липидна молекула да прескочи от единия слой в другия, но това става доста по-рядко. Това позволява двата слоя да имат донякъде различен липиден състав. Например гликолипидите се съдържат изключително във външния слой на клетъчната мембрана, така че моно- и олигозахаридните остатъци са насочени към външната среда. Тези части от мембранните белтъци, които "стърчат" навън от клетката, обикновено също носят прикрепени олигозахариди. Захарните остатъци по външната повърхност на клетката я предпазват от сливане с други клетки, защитават мембраната от ензими, които биха могли да разградят съставките й, и участват в междуклетъчното разпознаване.

1.2. Модели за белтъчно-липидния строеж на мембраната

         Освен липиди всички биологични мембрани съдържат и белтъци. Така от самото начало е ясно, че белтъците имат своето място в строежа на мембраната. По-трудно е да се установи какво точно е това място. Първият модел за строежа на мембраната, който включва и белтъци, е предложен от Даниели и Давсън през 30-те години на ХХ в. Нарича се сандвичев модел, защото според него двойният липиден слой се разполага между два плътни белтъчни слоя като в средата на сандвич. Ето схема на модела:

 



         Макар да върши добра работа за времето си, сандвичевият модел твърде сериозно се разминава с действителния строеж на мембраната. През 70-те години на ХХ в. Сингър и Никълсън предлагат нов модел. Той се нарича течно-мозаичен, защото в него за пръв път се предполага течно състояние на двойния липиден слой, а белтъчните молекули вместо в цялостни слоеве се разполагат поотделно като елементи на мозайка. Някои от тях са на повърхността на липидния двуслой, а други навлизат в него и дори го пронизват изцяло. Долните схеми са от оригиналната статия, описваща модела (Singer & Nicolson, 1972).



         Течно-мозаичният модел на Сингър и Никълсън е в сила и досега. Единствената съществена промяна в него е, че днес не се допуска наличие на белтъци, които навлизат в двойния липиден слой до половината. Такива белтъци не са установени сред многобройните изучени мембранни белтъци, а и теоретично изглеждат твърде малковероятни, защото половинчатото разположение на молекулата е неизгодно от физико-химична гледна точка. Белтъкът трябва или изобщо да не навлиза в липидната територия, или да я пронизва открай докрай. В последния случай полипептидната верига трябва да съдържа поне един участък от около 20 последователни хидрофобни аминокиселини. Този участък ще се разположи в двойния липиден слой и така ще "закотви" целия белтък към мембраната.

1.3. Функции на мембранните белтъци
1.3.1. Опорно-механична функция

         Двойният липиден слой е крехък и лесно поддава, ако се подложи на механично напрежение. Нужна е опора – или твърда стена над мембраната, или цитоскелет под нея. Животинските клетки нямат стена и разчитат само на втория начин. Затова мембраните им съдържат белтъци, чиято функция е да свържат надеждно мембраната с нишките на цитоскелета. На адрес http://www.albany.edu/~abio304/text/4part1.html са дадени схеми на такива белтъци и връзката им с цитоскелета при еритроцити (фиг. 7А), мускулни клетки (фиг. 7В) и фибробласти (фиг. 7С). В мускулното влакно определени мембранни белтъци се "закачат" за микрофиламентите чрез белтъка дистрофин (вж. фиг. 7В). При мутации в гена за този белтък мембраната остава без цитоскелетната си опора. С времето огромните механични напрежения при мускулната работа разрушават влакната и мускулите постепенно дегенерират. Развива се болестта мускулна дистрофия, която води до смърт на 15-20 годишна възраст. Боледуват изключително момчета, защото дистрофиновият ген е разположен в Х-хромозомата. Аналогично мутации, засягащи компоненти на еритроцитния "мембранен скелет" като спектрина и анкирина (вж. фиг. 7А), правят еритроцитите неустойчиви и така водят до тежка наследствена анемия.

1.3.2. Рецепторна функция

         За да е в крак със събитията, клетката трябва непрекъснато да приема информация от околната среда. В многоклетъчния животински организъм тази информация включва най-вече подавани от други клетки сигнали, например хормони. Всеки химичен сигнал се възприема чрез съответен белтъчен рецептор. Някои от сигналите, например стероидните хормони и хормоните на щитовидната жлеза, са хидрофобни и преминават през мембраната. Техните рецептори се намират вътре в клетката. Повечето сигнали обаче са с белтъчна природа и не могат да минат през клетъчната мембрана. Затова рецепторите за тях са мембранни белтъци, чиято по-голяма част стърчи извън клетката.

         Освен разтворими сигнали рецепторите върху клетъчната мембрана могат да свързват и молекули по повърхността на други клетки. По този начин клетките се разпознават помежду си. Схеми на няколко такива рецептора са дадени на http://users.path.ox.ac.uk/~ptaylor/PTresearch.htm.

1.3.3. Транспортна функция

         Докато клетката е жива, непрекъснато се налага някои молекули и йони да влизат в нея, а други да излизат от нея. За повечето от тези частици двойният липиден слой е непропусклив. Затова в мембраната са включени белтъци с транспортна функция, които осигуряват преноса на нужните молекули и йони. За подробности вж. по-долу т. 2.2.

2. Мембранен транспорт
2.1. Пропускливост на двойния липиден слой

         Най-близкият до ума начин да се прекоси клетъчната мембрана е направо през двойния липиден слой. Дали дадена частица наистина ще осъществи този преход, зависи от физико-химичните й свойства. Малките неполярни молекули като О2, N2 и СО2 преминават без проблеми. Същото важи и за по-големите неполярни мастноразтворими молекули, например стероидните хормони. Свободно преминават и малките полярни (но незаредени) молекули като Н2О и карбамид. За по-големите полярни молекули, например монозахаридите, двойният липиден слой е непропусклив. Още по-непропусклив е за йоните, дори и за най-малките като Na+. Ако клетъчната мембрана се състоеше само от липиди, тя би оставила отвън много молекули и йони, които са абсолютно необходими за живота. Вкарването на тези молекули и йони в клетката може да стане само с помощта на другата съставка на мембраната – белтъците.

2.2. Мембранни транспортни белтъци

         В доста учебници мембранните транспортни белтъци и техният начин на работа се рисуват приблизително по следния начин:



         Тази картина, в която дребният преносител (много по-малък от кой да е уважаващ себе си белтък) дифундира през двойния липиден слой, е доста далеч от истината. Най-вероятно схемата е вдъхновена от антибиотика валиномицин. Той е пръстенен пептид от 12 аминокиселини (формула е показана например на http://pc8952.uni-regensburg.de/Wolfbeis/tw/ionexc.html). В средата на пръстена има място за калиев йон. Валиномицинът убива клетката-жертва, като прави мембраната й пропусклива за К+ и така причинява лизирането й. Начинът на действие на валиномицина добре се илюстрира от горната рисунка (подобна схема, но правилно надписана – за валиномицин, има на http://www.kcl.ac.uk/kis/schools/life_sciences/life_sci/quinn/teaching/jp0225/MemTransport/mechfd.HTM). Така че грешката не е в самата схема, а в необоснования извод, че нормалните мембранни транспортни белтъци действат по същия механизъм като валиномицина. Безспорно от антибиотиците и другите "химични оръжия" на организмите можем да научим (и вече сме научили) много за нормалните жизнени процеси, но трябва винаги да имаме предвид, че "химичното оръжие" не е нормален участник в жизнените процеси на клетката, а се намесва в тях, за да ги обърка или прекрати.

         В действителност мембранните транспортни белтъци като останалите мембранни белтъци не могат да се потапят в двойния липиден слой до половината. Те го пронизват открай докрай и контактуват едновременно с цитоплазмата от едната страна и с външната среда от другата страна.

         Мембранните транспортни белтъци са две групи: белтъци-преносители и белтъци-канали. Преносителите свързват специфично молекулата или йона, който трябва да пренесат, и променят конформацията си (т.е. формата на молекулата си) така, че да изтласкат частицата към другата страна на мембраната. Каналите не свързват частиците поотделно, а просто образуват в мембраната цилиндрични хидрофилни пори, през които нужните частици (най-често йони с определен заряд и диаметър) да могат да преминат. Схеми на двата вида транспортни белтъци има на http://www.colorado.edu/MCDB/MCDB1150/ohd/carrierproteinvschannel.jpg и http://life.nthu.edu.tw/~d857401/advance.html. Последният сайт предлага и други важни схеми, отнасящи се до мембраните.

2.3. Активен и пасивен транспорт

         Естествената посока на пренос на частиците е по концентрационния им градиент, т.е. от по-високата към по-ниската им концентрация. В действителност никой не мери концентрациите от двете страни на мембраната, но ако частиците бъдат оставени свободно да преминават в двете посоки, то откъм по-концентрирания разтвор ще има много повече кандидати за преминаване. Така резултатната посока ще бъде по концентрационния градиент и преносът ще продължи, докато концентрациите от двете страни се изравнят. След това в двете посоки ще преминават равен брой частици и като краен резултат пренос вече няма да има.

         Това разсъждение важи изцяло за веществата, които могат да преодолеят липидния двуслой без помощта на белтъци. За веществата, които се пренасят от транспортни белтъци, имаме две възможности. Първата е транспортният белтък да прекарва частиците през мембраната в двете посоки, без да въвежда в процеса свои "предпочитания". Тогава отново ще имаме пренос по концентрационния градиент. Този процес се нарича пасивен транспорт. Осъществява се всички белтъци-канали и това е логично – веднъж отвори ли се тунелът, трудно е да си представим как би могла да се контролира посоката на преминаване през него. Много белтъци-преносители също извършват пасивен транспорт.

         Другата възможност е транспортният белтък (който трябва да е от типа на преносителите) да прекарва частиците в мембраната само в едната посока. Тогава е възможен пренос от по-ниската към по-високата концентрация на веществото, т.е. срещу концентрационния градиент. Процесът се нарича активен транспорт. Той изисква енергия, която най-често се набавя чрез разграждане на АТФ. Често един и същ белтък-преносител може да извършва и пасивен транспорт на дадено вещество (при което не му е нужен източник на енергия), и активен транспорт на същото вещество (при което преносът в "неестествената" посока се спряга с разграждане на АТФ).

         В животинския организъм съдържанието на К+ в клетките е сравнително високо, а в извънклетъчните течности – ниско. С Na+ е обратното: той се съдържа повече в извънклетъчната среда, отколкото в цитозола. Тези разлики в концентрациите се поддържат от белтък-преносител, наречен калиево-натриева помпа. Този белтък внася Na+ в клетката и изнася К+ от нея, като едновременно хидролизира АТФ. Схема на действието му има на http://www.zerobio.com/central/na_k.htm.

3. Цитоза

         Цитозата е процес, при който капка или твърда частица навлиза в клетката или излиза от нея, без обаче да преминава през мембраната й. Дори когато е вътре в клетката, капката или частицата е затворена в мембранно мехурче, чиято вътрешност е топологично еквивалентна на външната среда.

         Цитозата бива ендоцитоза – когато по-малка или по-голяма част от външната среда се обособи от клетъчната мембрана в мехурче и се погълне от клетката, и екзоцитоза – когато вътреклетъчно мехурче се придвижи към клетъчната мембрана и се слее с нея. Схема на двата процеса има например на http://www.mie.utoronto.ca/labs/lcdlab/biopic/fig/5.14.jpg.

         Когато чрез ендоцитоза се обхващат сравнително обемисти части от средата, използваме допълнителни термини, за да разграничим какво точно се поглъща. Ако мехурчето съдържа само течност, процесът се нарича пиноцитоза, а ако в него има твърда сравнително едра частичка (например бактериална клетка), това е фагоцитоза.

         Всички видове цитоза изискват по-малко или по-голямо участие на цитоскелета. Например при фагоцитоза клетката трябва да се придвижи до набелязания обект и да го обхване с израстъци (наречени псевдоподи), докато го загради изцяло. Доколкото прокариотните клетки нямат цитоскелет, цитозата също не е характерна за тях. Тя е "патент" на еукариотната клетка.

         Смисълът на цитозата е да се улесни обработката на обекта, който се внася или изнася от клетката. Например, ако близо до клетката има едра хранителна частица, много по-удобно е тя да се фагоцитира и да се подложи на вътреклетъчно смилане, отколкото да остане навън и върху нея да се изливат смилателни ензими, както правят бактериите. Също така, ако клетката трябва да секретира навън някакъв белтък, по-практично е той първо да се натрупа в секреторно мехурче и после цялото мехурче да се екзоцитира, отколкото молекулите на белтъка една по една да се изнасят през клетъчната мембрана.

         Цитозата не е алтернатива на мембранния транспорт и не може да го замести. Например ако потопим клетка в глюкозен разтвор, тя може да погълне капки от него чрез пиноцитоза. Но и в получените вътреклетъчни мехурчета глюкозата е така недостъпна за цитозолните ензими, както и докато е била навън. Нужен е преносител, който да прехвърли глюкозата от мехурчето в цитозола. Едва тогава тя ще стане използваема за клетката.


Основни източници

        Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London, 1994.
        Childs G.V. (2001). Membrane structure and function. [Online] http://www.cytochemistry.net/Cell-biology/membrane_intro.htm
        Singer S.J., G.L. Nicolson (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science 175: 720-731.


Copyright © Майя Маркова

Предишен раздел Начало Следващ раздел