Будова та функції клітинної мембрани

Будова клітини

Клітина — це структурно-функціональна одиниця всіх живих організмів. Клітина складається із трьох основних частин:

• Клітинна мембрана
• Цитоплазма
• Ядро

І тепер про кожну частину детальніше.

Клітинна мембрана

Клітинна мембрана — це структурний компонент клітини, який відмежовує вміст клітини від зовнішнього (навколишнього) середовища. Іншими словами, клітинна мембрана — це стінки (межі) клітини.

Клітинна мембрана переважно представлена біліпідним шаром фосфоліпідів, які складаються з:

• Гліцеролу
• Двох жирних кислот
• Фосфату
• Полярної групи атомів — (аміно)спирти (серин, етаноламін, холін)

Ця сполука є амфіфільною, тобто може взаємодіяти як з полярним (водою), так і неполярним (ліпідами) середовищами. Полярним компонентом фосфоліпіду є гліцерол, фосфат та полярна група атомів, коли за неполярні властивості відповідають дві жирні кислоти, які приєднані до гліцеролу. Відповідно, фосфоліпід поділяється на дві частини: гідрофільна голівка, яка представлена гліцеролом, фосфатом та полярною групою атомів, а інша частина — гідрофобні хвостики, які представлені двома жирними кислотами, що відходять від гліцеролу.

Хімічна та схематична будова фосфоліпіду

Клітинна мембрана утворена подвійним шаром фосфоліпідів, гідрофільні голівки яких обернені в полярні середовища (вода), а гідрофобні хвостики контактують між собою.

Міжклітинна речовина, цитоплазма клітини, внутрішній та зовнішній шари фосфоліпідів, гідрофобні хвостики

Виділяють внутрішній та зовнішній шари клітинної мембрани. Внутрішній шар в нормі представлений переважно такими фосфоліпідами:

• Фосфатидилсерин
• Фосфатидилетаноламін
• Фосфатидилінозитол

Коли зовнішній шар представлений переважно фосфатидилхоліном та сфінгомієліном. Дуже важливо, щоб зберігалась саме така редистрибуція фосфоліпідів по шарам клітинної мембрани, бо якщо в зовнішній шар потрапить фосфоліпід, який в нормі не повинен там бути, то це може призвести до несприятливих подій для клітини. Наприклад, якщо в зовнішній шар потрапляє фосфатидилсерин, то це, як правило, означає, що клітина готується до апоптозу, це розпізнають імунні клітини і можуть або фагоцитувати клітину-мішень, або ж виділять різні біологічно активні речовини, щоб прискорити її смерть.

Окрім фосфоліпідів, в склад клітинної мембрани також входять молекули ефірів холестерину, які надають клітинній мембрані “тугості”, зменшують її “плинність”, роблять мембрану більш твердою.

Білки клітинної мембрани

Окрім ліпідів, важливим компонентом клітинної мембрани є білки, які в залежності від розташування поділяють на:

• Інтегральні білки:
  • Трансмембранні — ті білки, які повністю пронизують клітинну мембрану, контактують як з міжклітинною речовиною, так і з цитоплазмою клітини.
  • Монотопічні — ті білки, які входять в склад лише одного листку клітинної мембрани.
• Периферійні білки — це ті білки, які прикріплюються до інтегральних білків або до олігосахаридів (глікокалікс).

Міжклітинна речовина, цитоплазма клітини, внутрішній та зовнішній шари фосфоліпідів, гідрофобні хвостики

Функції білків в складі клітинної мембрани:

• Рецепторна: деякі білки є рецепторами — структурами, які розпізнають певні біологічно активні речовини (які можуть виділятись іншими клітинами) та запускають відповідний каскад реакцій всередині клітини, що призведе до зміни функцій цієї самої клітини. Тобто, білки клітинної мембрани потрібні для взаємодії між клітинами.
• Каталітична: деякі білки є ферментами — сполуками, які перетворюють одну речовину на іншу. Наприклад, на мембрані ентероцитів (клітини слизової ШКТ) є спеціальні пристінкові ферментні комплекси, які забезпечують розпад лактози, сахарози, мальтози.
• Транспортна: білки можуть утворювати канали, які пропускають певні сполуки із міжклітинної речовини в цитоплазму клітини (або навпаки). Про це детальніше буде описано нижче.
• Імунологічна: до деяких білків (зокрема, рецепторів) можуть прикріплюватись віруси і таким чином потрапляти всередину клітини (рецептор-залежний ендоцитоз).
• Структурна: білки забезпечують міцність і форму мембрани.

Інтегральний трансмембранний білок, інтегральний монотопічний білок, периферійний білок, холестерин

Класифікація білків-рецепторів

Поверхневі рецептори знаходяться в товщі клітинної мембрани, за будовою можуть бути чисто білковими або мати глікопротеїнову структуру, також іноді рецептори є компонентом глікокаліксу. За тим, які внутрішньоклітинні процеси активуються після стимуляції рецептора, останні поділяються на:

• Метаботропні рецептори: активують каскади внутрішньоклітинних реакцій, в результаті чого змінюється активність багатьох ферментів (в тому числі іонних каналів). Особливістю метаботропних рецепторів є те, що вони декілька раз пронизують клітинну мембрану (як змія).
• Іонотропні рецептори: в результаті активації перетворюються в іонні канали, внаслідок чого змінюється рух іонів, а значить змінюється мембранний потенціал клітини (виникає деполяризація чи гіперполяризація).
• Рецепторні тирозинкінази: білки, які поєднують в собі і каталітичну, і рецепторну активності, як правило, активують різні каскади реакцій, які регулюють ріст, розвиток та клітинний цикл в цілому.

Стосовно метаботропних рецепторів, то вони доволі часто зв’язані з G-білком — внутрішньоклітинним білком, який складається із трьох субодиниць: альфа, бета та гама. Свою назву отримав через те, що альфа-субодиниця проявляє ГТФазну активність, тобто може розщеплювати ГТФ до ГДФ (детальніше про це в окремому розділі).

Загальна картина метаботропного рецептора така: є рецептор в товщі клітинної мембрани (трансмембранний білок), який своєю власне рецепторною ділянкою виступає в міжклітинне середовище та чекає на появу ліганда (сполуки, яка ідеально зв’язується з рецептором, ключ-замок), а внутрішньоклітинна частина зв’язана з G-білком. Коли ліганд зв’язується з зовнішньоклітинною частиною рецептора, то це призводить до зміни конформації (грубо кажучи, білок-рецептор перекручуються, бо ліганд дестабілізує структуру рецептора), це передається на G-білок, альфа-субодиниця якого після цього стає активною, відщеплює ГДФ, а замість цього приєднує ГТФ і таким чином активується, подальші реакції будемо розглядати в розділі про молекулярні механізми дії гормонів. Про роль конформації в реалізації рецепторної функції дивись в кінці розділу.

Особливі властивості клітинної мембрани

Латеральний рух — це рух фосфоліпідів у поздовжньому напрямку. Уявіть річку з дуже мінливим напрямком течії, яка змінюється кожну секунду. Якщо кинути в цю річку 100 маленьких обломків дерева (які не тонуть і залишаються на поверхні), ці обломки будуть рухатися туди-сюди за течією. Саме так працює латеральний рух фосфоліпідів.

Завдяки цьому клітинна мембрана має рідиноподібний, “нефіксований” стан, що дозволяє рух деяких низькомолекулярних сполук, наприклад, вуглекислого газу та кисню. Чим більше в складі клітинної мембрани холестерину, тим вона “тугіша”, і явище латерального руху фосфоліпідів відбувається менш активно.

Рідкомозаїчна модель — це модель клітинної мембрани, яка припускає, що мембрана складається з біліпідного шару, куди занурені протеїни, які забезпечують її функціональність. Завдяки рідиноподібному стану ліпідів (за рахунок латерального руху), білки не є чітко “прикріпленими” — вони здатні до латеральної дифузії, так само як і самі ліпіди. Простіше кажучи, рідкомозаїчна модель вказує на те, що клітинна мембрана є “нестабільною” і “плавучою”: зараз білок в одному місці, а через секунду — в іншому.

Однак це може створювати проблему: іноді білки об’єднуються між собою не хімічно, а “місцево”. Наприклад, один білок-фермент перетворює певну сполуку в іншу (продукт), а сусідній білок-канал забезпечує переміщення цього продукту з цитоплазми в міжклітинну речовину. Якщо білки змінять своє розташування через латеральний рух, цей механізм може порушитися: продукт утвориться, але не зможе переміститися, бо білок-канал “переплив” в інше місце. Це може призвести до накопичення продукту в клітині, що порушить її функціональність. Щоб уникнути таких ситуацій, існують ліпідні рафти.

Ліпідні рафти

Ліпідні рафти — це ділянки підвищеної концентрації холестерину та фосфоліпідів з довгими насиченими жирними кислотами, які потрібні для утримання кількох білків клітинної мембрани разом. Довгі насичені жирні кислоти — це жирні кислоти з довгим карбоновим ланцюгом (22+ атомів вуглецю) без подвійних зв’язків у своїй хімічній структурі. Завдяки цьому вони мають тверду консистенцію, подібну до холестерину. Такі фосфоліпіди не піддаються латеральному руху і можуть “утримувати” скупчення білків разом. Фосфоліпіди оточують функціонально пов’язані білки, створюючи ніби “острів” серед рідкомозаїчної клітинної мембрани.

Глікокалікс: інтегральний трансмембранний білок, периферійний білок, глікопротеїн, вуглеводи

Глікокалікс

Глікокалікс — це желеподібний надмембранний комплекс, який складається з білків, вуглеводів та глікопротеїнів. Глікопротеїни (білки з вуглеводними модифікаціями) становлять більшу частину глікокаліксу і виконують такі функції:

• Каталітична (ферментативна)
• Антигенна
• Рецепторна
• Захисна
• Міжклітинна взаємодія (адгезія, наприклад, “прикріплення” лейкоцитів до ендотелію)

Глікокалікс: інтегральний трансмембранний білок, периферійний білок, глікопротеїн, вуглеводи

Кортикальний шар

Кортикальний шар — це підмембранний комплекс, утворений мікротрубочками, волокнами актину та проміжними філаментами (елементами цитоскелету). Основні функції кортикального шару:

• Підтримка сталої форми клітини
• Формування псевдоподій (наприклад, у лейкоцитах)
• Участь у розподілі хромосом під час мітозу (мікротрубочки)
• Формування війок (наприклад, у клітинах слизової оболонки верхніх дихальних шляхів)
• Формування мікроворсинок (наприклад, у клітинах слизової оболонки кишечника)

Глікокалікс: інтегральний трансмембранний білок, периферійний білок, глікопротеїн, вуглеводи

Транспорт речовин

Клітина завжди щось виділяє або поглинає, і це “щось” може бути будь-чим:

• Іони
• Органічні речовини
• Неорганічні речовини
• Гази та ін.

Справа в тому, що клітинна мембрана не пропускає більшість із цих речовин, але транспорт все одно якимось чином відбувається. Клітинна мембрана вільно пропускає лише жиророзчинні сполуки (наприклад, стероїдні гормони) та низькомолекулярні сполуки (гази, частково вода). Для інших сполук існують спеціальні білки-транспортери.

Транспорт речовин поділяється на кілька видів:

• Пасивний транспорт (не використовує енергію АТФ):
  • Звичайна дифузія
  • Полегшена дифузія
• Активний транспорт (використовує енергію АТФ):
  • Первинний активний транспорт
  • Вторинний активний транспорт
• Везикулярний транспорт

Звичайна дифузія

Цим способом транспортуються жиророзчинні сполуки та низькомолекулярні речовини. Рушійною силою є градієнт концентрації. Наприклад, якщо в цитоплазмі клітини багато вуглекислого газу (CO₂), а в міжклітинній речовині його мало, то вуглекислий газ буде рухатися з місця більшої концентрації до місця меншої. Такий вид транспорту не потребує білків-транспортерів, оскільки молекули проходять через клітинну мембрану самостійно завдяки своїм низькомолекулярним або жиророзчинним властивостям.

Схема звичайної дифузії: рух вуглекислого газу через клітинну мембрану

Полегшена дифузія

Цим способом транспортується велика кількість полярних речовин. Рушійною силою також є градієнт концентрації, але, на відміну від звичайної дифузії, тут речовини транспортуються за допомогою спеціальних білкових каналів (інтегральних трансмембранних білків), вбудованих у клітинну мембрану. Для кожної речовини існує свій специфічний канал. Різні клітини мають різні канали, тому одні клітини можуть поглинати певні сполуки, а інші — ні. Наприклад:

• ГЛЮТ-канали для транспорту глюкози
• Калієві канали
• Канали для амінокислот

Схема полегшеної дифузії: міжклітинна речовина, цитоплазма клітини, транспортер

Осмос

Осмос — це пасивний перехід молекул розчинника через напівпроникну мембрану із середовища, де розчиненої речовини більше, у середовище, де її менше. Основним розчинником в організмі людини є вода — полярна речовина, яка може проникати через клітинну мембрану, але робить це досить повільно. Для прискорення цього процесу існують спеціальні канали — аквапорини.

Особливість аквапоринів полягає в тому, що вони дозволяють рух лише води, тоді як для іонів їхні “ворота” закриті. Це забезпечує ефективний перерозподіл води між середовищами, підтримуючи адекватну концентрацію розчинених речовин.

Наприклад, якщо в клітині на 10 молекул води припадає 5 молекул розчиненої речовини (співвідношення 2:1), а в міжклітинній речовині на 10 молекул води припадає 1 молекула розчиненої речовини (10:1), то аквапорини перекачуватимуть воду з міжклітинної речовини в клітину, намагаючись вирівняти співвідношення між молекулами води та розчиненими речовинами.

Залежно від зовнішньоклітинних умов розчини поділяються на:

• Гіпотонічні розчини: характеризуються меншою концентрацією розчинених речовин у зовнішньоклітинному середовищі порівняно з внутрішньоклітинним.
• Ізотонічні розчини: мають рівномірну концентрацію розчинених речовин у зовнішньоклітинному та внутрішньоклітинному середовищах.
• Гіпертонічні розчини: характеризуються вищою концентрацією розчинених речовин у зовнішньоклітинному середовищі, ніж у внутрішньоклітинному.

У гіпотонічному розчині (багато води, мало розчинених речовин) аквапорини перекачують воду в цитоплазму клітини, що призводить до її набухання і, можливо, загибелі. У гіпертонічному розчині (мало води відносно розчинених речовин) вода виходить із клітини в міжклітинне середовище, через що клітина зморщується і може загинути. В ізотонічному розчині жоден із цих сценаріїв не розвивається.

Схема осмосу: гіпотонічний, ізотонічний, гіпертонічний розчини

Первинний активний транспорт

Цим способом зазвичай транспортуються іони. Механізм забезпечується спеціальним білком-транспортером на клітинній мембрані. Особливістю цього виду транспорту є те, що для роботи білка потрібна енергія АТФ. На відміну від пасивного транспорту, тут речовини можуть рухатися проти градієнта концентрації. Наприклад, натрій-калієвий насос перекачує іони натрію (Na⁺) із цитоплазми в міжклітинну речовину (де натрію і так багато), а іони калію (K⁺) — із міжклітинної речовини в цитоплазму (де калію також багато).

Схема осмосу: гіпотонічний, ізотонічний, гіпертонічний розчини

Вторинний активний транспорт

Цим способом транспортуються як іони, так і органічні речовини. Механізм також забезпечується спеціальним білком-транспортером. Особливість вторинного активного транспорту в тому, що він залежить від первинного активного транспорту, хоча речовини частково рухаються за градієнтом концентрації.

Наприклад, натрій-калієвий насос створює дефіцит натрію в клітині, викачуючи його в міжклітинну речовину. Це створює великий градієнт концентрації, через що натрій із міжклітинної речовини прагне потрапити назад у клітину. Однак для цього потрібен спеціальний білок-транспортер, який пропускає не лише натрій, а й інші речовини.

Розглянемо приклад з ентероцитом (клітиною слизової оболонки ШКТ), якому потрібно всмоктати глюкозу з просвіту шлунково-кишкового тракту. Полегшена дифузія через канал могла б працювати, але концентрація глюкози в просвіті ШКТ і в цитоплазмі ентероцита не сильно різниться. У такому випадку натрій-калієвий насос створює дефіцит натрію в клітині, що спонукає натрій із просвіту ШКТ проникати в ентероцит. Для цього існує натрій-залежний глюкозний транспортер (SGLT1), який одночасно пропускає натрій (за градієнтом концентрації) і глюкозу.

Вторинний активний транспорт на прикладі натрію та глюкози(через SGLT канал)

Вторинний активний транспорт поділяється на:

• Симпорт: транспорт кількох речовин в одному напрямку.
• Антипорт: транспорт кількох речовин у різних напрямках.

Антипорт та симпорт

Везикулярний транспорт

Це вид транспорту, під час якого речовина транспортується з або в клітину, при цьому формується “мембранне пакування” — везикула (тобто речовина транспортується у “мембранному мішечку”). Залежно від напрямку руху, везикулярний транспорт поділяють на:

• Екзоцитоз (з клітини):
  • Конститутивний
  • Регуляторний
• Ендоцитоз (в клітину):
  • Піноцитоз
  • Фагоцитоз
  • Рецептор-залежний ендоцитоз

Клітина синтезує певну сполуку, пакує її в везикулу, але не секретує одразу. Натомість вона чекає сигналу із зовнішнього середовища (як правило). Наприклад, на клітину подіяв якийсь чинник (гормон, фізичний чи хімічний чинник), що активував каскад реакцій у клітині, який призвів до підвищення рівня внутрішньоклітинного кальцію (Ca²⁺). Іони кальцію забезпечують активацію білків SNARE, які обумовлюють вивільнення вмісту секреторних везикул.

Існує бактерія Clostridium tetani (збудник правця), яка виділяє тетаноспазмін — токсин, що пригнічує роботу білків SNARE. Це порушує секреторну функцію багатьох систем організму, зокрема виділення гальмівних нейромедіаторів ГАМК та гліцину, що призводить до надмірного збудження центральної нервової системи (ЦНС). Як наслідок, збуджуються скелетні м’язи, що викликає їх спазм.

Схема везикулярного транспорту: сигнал із зовнішнього середовища, конститутивний і регуляторний екзоцитоз

Екзоцитоз

Під час екзоцитозу клітина синтезує певну сполуку (наприклад, білок), пакує її в везикулу (за участю апарата Гольджі) і секретує в зовнішнє середовище. Екзоцитоз буває:

• Конститутивний: постійний процес, коли клітина безперервно секретує речовини, наприклад, білки клітинної мембрани (рецептори, ферменти).
• Регуляторний: секреція відбувається у відповідь на зовнішній сигнал, як описано вище (наприклад, за участю іонів кальцію та білків SNARE).

Ендоцитоз

Під час ендоцитозу клітина формує “випини” (псевдоподії) за допомогою елементів цитоскелету (мікротрубочок), охоплює речовину, яку потрібно поглинути (1), змикає псевдоподії (2), і речовина опиняється в цитоплазмі клітини, але оточена везикулою з біліпідного шару клітинної мембрани (3).

Схема ендоцитозу: етапи формування везикули

Фагоцитоз

Фагоцитоз — це спосіб поглинання великих твердих сполук (бактерій, клітин, їх залишків, сторонніх тіл). Добре відомий приклад — макрофаги, клітини імунної системи, які активно здійснюють фагоцитоз.

Рецептор-залежний ендоцитоз

Під час рецептор-залежного ендоцитозу речовина зв’язується з відповідним рецептором на поверхні клітинної мембрани. Рецептор пов’язаний із білками клатрином та адаптином. Після взаємодії ліганда (сполуки, що зв’язується з рецептором) із рецептором клатрин і адаптин формують заглиблення клітинної мембрани, внаслідок чого утворюється транспортна везикула, що містить як рецептор, так і ліганд.

Піноцитоз

Піноцитоз — це спосіб поглинання рідини з розчиненими в ній речовинами. Нічого особливого: клітина охоплює рідину, формуючи везикулу, яка транспортує вміст у цитоплазму.