Плазматическая мембрана
Плазмати́ческая мембра́на (клеточная мембрана, цитоплазматическая мембрана, плазмолемма), биологическая мембрана, обеспечивающая одновременно барьер и избирательную связь между клеткой и внешней средой (внеклеточным пространством). Присутствует как обязательный внешний компонент у клеток всех живых организмов, выполняя сходные функции. Может отличаться по химическому составу, структуре и функциям от биологических мембран других клеточных органелл.
Структура
Плазматическая мембрана представляет собой двойной слой, состоящий из гидрофильных внешних головок фосфолипидов, обращённых наружу, и их гидрофобных хвостов, которые образуют внутреннюю часть плазматической мембраны. В такой структуре взаимодействия белков с гидрофильными головками фосфолипидов носят полярный характер, а взаимодействия белков с гидрофобными хвостами фосфолипидов осуществляются посредством гидрофобных аминокислот (Sinensky. 1974[1]).
Состав
Липиды
Основу плазматической мембраны составляют липиды, которые вместе с холестерином образуют двойной слой (бислой), что способствует поддержанию соответствующей температуры окружающей среды и придаёт мембране свойство текучести. Мембранные липиды [фосфолипиды, гликолипиды, холестерин и стеролы (стерины)] являются амфифильными, т. е. обладают одновременно гидрофильными и гидрофобными характеристиками. Их уровень варьирует в зависимости от типа клеток. Состав и соотношение липидов в мембранах органелл и плазматической мембране клетки значительно различаются.
Фосфолипиды – составляют свыше 50 % массы всех липидов плазматической мембраны, хотя в эритроцитах крови и их незрелых предшественниках содержание всех типов липидов достигает лишь 30 %. Основные группы фосфолипидов, отличающихся типами остатков жирных кислот (обычно они состоят из чётного числа атомов углерода, и их количество варьирует от 16 до 20): фосфатидилхолины; фосфатидилинозитолы; фосфатидилэтаноламины; фосфатидилсерины.
Согласно жидкостно-мозаичной модели С. Сингера и Г. Николсона (1972), биологические мембраны можно рассматривать как двумерную жидкость, в которой с разной скоростью диффундируют липидные и белковые молекулы (Singer. 1972[2]).
Некоторые организмы способны регулировать текучесть мембран путём изменения структуры своих липидов (Lodish. 2000). Количество холестерина, расположенного между гидрофобными хвостами жирных кислот в плазматических мембранах, варьирует между организмами, типами клеток и даже между отдельными клетками. Регулирование текучести мембран особенно важно для пойкилотермных организмов, таких как бактерии, грибы, простейшие, растения, рыбы и др.
В клетках растений холестерин отсутствует, его аналогами выступают химически родственные соединения, называемые стеролами.
Белки
Доля белков может достигать 50 % от объёма всех компонентов плазмолеммы. Они отвечают за все присущие плазматической мембране биологические функции. В состав плазматических мембран входят интегральные и периферические (наружные и внутренние) мембранные белки, обладающие ферментативной активностью и участвующие в процессах межклеточной адгезии и сигнальных взаимодействиях (Herrmann. 2022). Примером интегральных белков могут служить ионные каналы, протонные насосы и связанные с G-белками рецепторы. Их отличительная черта – амфифильные свойства, которые отличают и фосфолипиды тех мембран, в которые они погружены.
Ионные каналы – тип транспортных белков, которые позволяют неорганическим ионам, таким как ионы натрия, калия, кальция и хлора, пассивно диффундировать (в процессе облегчённой диффузии) под действием электрохимического градиента через билипидный слой и гидрофильные поры плазматической мембраны.
Протонные насосы – белковые помпы, встроенные в бислой. Они предназначены для прохождения протонов через мембрану путём их переноса с одной боковой цепи аминокислоты на другую. Они используются в таких процессах, как транспорт электронов и синтез аденозинтрифосфата (АТФ) (Alberts. 2002).
Рецепторы, связанные с G-белком, представляют собой единую интегральную полипептидную цепь, которая 7 раз пересекает билипидный слой, реагируя на сигнальные молекулы (т. е. гормоны и нейромедиаторы).
Периферические белки прикрепляются к интегральным мембранным белкам или связаны с периферическими областями билипидного слоя. К этой группе белков относятся в основном ферменты, гормоны и нейромедиаторы, которые, как правило, только временно взаимодействуют с биологическими мембранами и после реакции связывания с мишенью диссоциируют, чтобы продолжить свою работу в цитоплазме.
Углеводы
В клеточной мембране также содержатся углеводы, которые соединены либо с липидами (гликолипиды), либо с белками (гликопротеины) и являются прежде всего рецепторами, участвующими в межклеточном узнавании и взаимодействии, необходимыми для протекания всех метаболических и иммунных реакций в организме.
Гликокаликс – комплекс различных моно- и олигосахаридов с гликопротеидами, основной компонент клеточной стенки бактерий, есть также у эукариотических клеток (например, у энтероцитов), отсутствует у грибов и растений (Ченцов. 2004[3]).
Основные функции
Барьерная функция
Плазматическая мембрана является барьером и промежуточным связующим компонентом между внеклеточным матриксом, наружной клеточной стенкой и внутренним цитоскелетом, обеспечивая взаимодействие всех надмолекулярных структур.
Транспортная функция
Плазматическая мембрана обеспечивает транспорт различных молекул и ионов через свою толщу благодаря избирательной проницаемости. Транспорт может быть пассивным или активным.
Пассивный транспорт осуществляется за счёт диффузии и осмоса и служит для переноса малых молекул, например кислорода и углекислого газа, а также молекул воды через «водные каналы» – белки-транспортёры аквапорины.
Посредством активного транспорта происходит перенос малых органических молекул сахаров и аминокислот с помощью трансмембранных ионных каналов или соответствующих белков-транспортёров. Активный перенос молекул между клеткой и окружающей средой осуществляется также за счёт везикулярного транспорта путём эндоцитоза и экзоцитоза (Graham. 2004[4]).
Регулирование проницаемости
Одно из базовых свойств плазматической мембраны – избирательная проницаемость для разных молекул. В клетках животных текучесть всей мембраны и её проницаемость регулируются за счёт изменения концентрации холестерина. При высоких температурах холестерин ингибирует движение фосфолипидов и жирных кислот, вызывая снижение как проницаемости мембраны для малых молекул, так и снижение текучести. Производство холестерина увеличивается в ответ на снижение температуры. При низких температурах холестерин препятствует взаимодействию цепей жирных кислот, действуя как антифриз, тем самым поддерживает текучесть мембраны (уровень холестерина выше у животных, обитающих в зонах холодного климата).
У растений в регулировании проницаемости клетки задействованы также целлюлозная клеточная стенка и мембрана вакуоли – тонопласт. В стенке растительной клетки есть поры и плазмодесмы, которые обеспечивают проницаемость клеточной стенки для воды и различных веществ.
Поддержание разности потенциалов
Ионные каналы регулируют состав и концентрацию ионов калия, кальция и натрия внутри и снаружи клетки, что необходимо для контроля её электрохимического статуса – поддержания потенциалов покоя и действия всех возбудимых клеток (таких как нейроны и кардиомиоциты). Контроль электрохимического статуса также требуется для создания нужных условий для метаболических реакций в цитозоле.
Рецепторная функция
В плазматической мембране существует множество клеточных рецепторов, которые реагируют как на межклеточные сигналы, так и на присутствие цитокинов. Два основных класса мембранных рецепторов: метаботропные и ионотропные.
Ионотропные рецепторы представляют собой мембранные каналы, открываемые или закрываемые при связывании с лигандом.
Метаботропные рецепторы связаны с системами внутриклеточных посредников. Изменения их конформации при связывании с лигандом приводит к запуску каскада биохимических реакций и изменению функционального состояния клетки.
Мембранные рецепторы всех классов подразделяются на следующие типы: рецепторы, связанные с гетеротримерными G-белками (например, рецептор вазопрессина), и рецепторы, обладающие внутренней тирозинкиназной активностью (например, рецептор инсулина или рецептор эпидермального фактора роста).
Сигнальная функция
Через плазматическую мембрану опосредуются разные механизмы межклеточного взаимодействия, реализующиеся не только через сигнальные молекулы, но и через механизмы механотрансдукции. Сигнальные молекулы задействованы в работе сигнального пути, опосредованного рецепторами главного комплекса гистосовместимости, и в механизме взаимодействия нейромедиаторов в синапсе через мембранные белки-рецепторы.
Передача сигнала посредством механотрансдукции осуществляется через элементы цитоскелета: интегрины, кадгерины, селектины. Ключевые элементы этих соединений находятся в плазматической мембране и являются её белками (например, интегрины или клаудин).
Поверхностные антигены (маркеры клеточной поверхности) – периферические белки, участвующие в распознавании клетками друг друга и способствующие передаче межклеточного сигнала. Пример – Т-клеточный рецептор лимфоцитов, который отвечает за распознавание фрагментов антигена в виде пептидов, связанных с молекулами главного комплекса гистосовместимости.
Отличия плазматической мембраны от клеточной стенки и других видов биологических мембран
Плазматическую мембрану следует отличать от клеточной стенки, представляющей собой внеклеточную структуру, которая среди эукариот характерна, например для растений (состоит в основном из целлюлозы) и грибов (состоит из хитина и различных углеводов), и соединена с плазматической мембраной и мембранами органелл. Плазматическая мембрана обладает текучестью и изменчивостью состава в отличие от клеточной стенки, имеющей жёсткую структуру и стабильный состав. Биологические системы используют клеточные стенки только на периферии клеточной структуры, а мембраны – внутри, на поверхности и даже на внешней поверхности клеточной стенки (у грамотрицательных бактерий).
Искусственные плазматические мембраны в медицине
В настоящее время плазматические мембраны синтезированы искусственно за счёт способности билипидных слоёв к самосборке в водных растворах. Структуры с искусственными плазматическими мембранами существуют в виде липосом, наночастиц, полимеросом и микрокапсул (Budin. 2011[5]).
Актуальная тенденция современной биотехнологии – разработка терапевтических решений на основе соединения плазматических мембран живых клеток (лейкоцитов – макрофагов, нейтрофилов, Т-клеток и натуральных киллеров) и наночастиц. Обладая поверхностными маркерами этих клеток, синтетические наночастицы могут служить для терапевтической доставки лекарств, в качестве нановакцин для иммуномодуляции и изоляции циркулирующих опухолевых клеток (White Blood Cell ... 2022[6]).
Для решения проблемы доставки лекарств непосредственно в цитозоль и ядро клеток-мишеней были разработаны биомиметические наночастицы, способные преодолевать оболочку эндосом (образующихся после поглощения клетками молекулы терапевтического агента). По своему механизму внедрения в клетку они имитируют вирусы. Эксперименты in vitro показали, что они были способны доставлять полезную мРНК в цитозольный компартмент клеток-мишеней, что приводило к успешной экспрессии кодируемого белка (Park. 2022).
Примечания
Литература
- Singer S. J. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes / S. J. Singer, G. L. Nicolson // Science. – 1972. – Vol.175, № 4023. – P. 720–731.
- Sinensky M. Homeoviscous adaptation a homeostatic process that regulates the viscosity of membrane lipids in Escherichia coli. // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. – 1974. – Vol. 71, № 2. – P. 522–525.
- Lodish H. Biomembranes: Structural Organization and Basic Functions. 2000.
- Alberts B. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. 2002.
- Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. – 4-е изд., перераб. и доп. – Москва : Академкнига, 2004.
- Graham T. R. Flippases and vesicle-mediated protein transport // Trends Cell Biol. – 2004. – Vol. 14, № 12. – P. 670–677.
- Budin I. Membrane assembly driven by a biomimetic coupling reaction / I. Budin, N. K. Devaraj // Journal of the American Chemical Society. – 2011. – Vol. 134, № 2. – P. 751–753.
- Herrmann T. Physiology, Membrane / T. Herrmann, L. Leavitt, S. Sharma. – Treasure Island : StatPearls Publishing, 2022.
- White Blood Cell Membrane-Coated Nanoparticles: Recent Development and Medical Applications / Dan Wang, Shuyan Wang, Zhidong Zhou [et al.] // Advanced Healthcare Materials. – 2022. – Vol. 11, № 7. – Art. 2101349.
- Virus-Mimicking Cell Membrane-Coated Nanoparticles for Cytosolic Delivery of mRNA / J. H. Park, A. Mohapatra, J. Zhou [et al.] // Angewandte Chemie. – 2022. – Vol. 134, № 2. – Art. e202113671.