Функции мембран

Барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой. Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.

Транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембраны обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке оптимального pH и концентрации ионов, которые нужны для работы клеточных ферментов.

Частицы, по какой-либо причине неспособные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортеры) и белки-каналы или путем эндоцитоза.

При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии по градиенту концентрации путем диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа.

Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит против градиента концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивает в клетку ионы калия (K+) и выкачивают из неё ионы натрия (Na+).

Матричная — обеспечивает определенное взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие.

Механическая — обеспечивает автономность клетки, ее внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечение механической функции имеет— межклеточное вещество.

Энергетическая — при клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки;

Рецепторная — некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы).

Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.

Ферментативная — мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.

Осуществление генерации и проведения биопотенциалов.

С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса.

Маркировка клетки — на мембране есть антигены, действующие как маркеры — «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединенными к ним разветвленными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн». Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.

Мембранные ферменты в составе бислоя приобретают большую стабильность и способность к осуществлению реакций, которые в гидрофильном окружении протекали бы с весьма малой скоростью. Липидное окружение предоставляет таким белкам «привилегированные» условия функционирования, но и накладывают ограничения на поведение белковых ассоциатов: последнее сильно зависит от плотности упаковки мембран. Важным параметром, определяющим активность большинства мембранных ферментов, безусловно, является физическое состояние бислоя. При переходе липидов в фазу геля многие ферменты становятся неактивными либо их активность резко уменьшается. Вязкость мембраны в значительной степени коррелирует с плотностью упаковки молекул липида в бислое. Индуцируемые температурой изменения вязкости можно объяснить в основном изменениями в плотности упаковки. Липиды могут сильно влиять не только на максимальную скорость, но и на связывание фермента с субстратами и кофакторами.

Биологическая роль различных мембранных ферментов может в значительной степени определяться их способностью к связыванию с мембраной. Во-первых, связывание с биомембраной обеспечивает локализацию (концентрирование) ферментов в определенной части клетки и/или в той области мембраны, где концентрируется субстрат. Например, ацетилхолинэстераза фиксируется в постсинаптической мембране, где велика концентрация ацетилхолина. Во-вторых, адсорбция ферментов на мембране создает возможность для сопряжения процессов катализа и трансмембранного переноса. Так, при функционировании мембраносвязанных ферментов, участвующих в гидролизе крахмала и белков, вблизи клеточной мембраны создается локально высокая концентрация растворимых молекул продукта, что способствует их эффективному поглощению клеткой. В-третьих, для многих ферментов при связывании с мембраной обеспечивается доступность водонерастворимых субстратов. Это могут быть интегральные ферменты, участвующие в процессинге мембранных белков, а также периферические ферменты: фосфолипазы, протеинкиназа С, пируватоксидаза и др. Наконец, при связывании формируется оптимальное микроокружение, обеспечивающее нативную конформацию и каталитическую активность мембранных ферментов.

Многие мембранные белки участвуют в транспорте молекул через бислой. Активный транспорт может быть сопряжен с гидролизом ATP.

Белки - ферменты электронтранспортных цепей. Наиболее типичные ферменты этого класса — компоненты дыхательной цепи митохондрий, заканчивающейся цитохром С- оксидазой; ферменты системы электронного транспорта микросом, включающие цитохром Р450 и цитохром b5. Локализация компонентов электронтранспортных цепей в мембране приводит к увеличению их локальной концентрации, что позволяет значительно ускорить перенос электронов между молекулами.

Ферменты, способные использовать мембраносвязанные субстраты. В этот класс могут входить ферменты, участвующие в метаболизме компонентов мембраны: фосфолипидов, гликолипидов, стероидов, а также ферменты, участвующие в процессинге мембранных и секреторных белков. В большинстве случаев эти ферменты являются интегральными мембранными белками, но иногда (примером могут служить фосфолипазы) представляют собой растворимые белки, лишь временно связанные с мембраной. Примерами белков этого типа является фосфолипаза С, связанная с мембраной посредством гликозилфосфатидилинозитольного якоря.

Ферменты, использующие водорастворимые субстраты. Многие мембраносвязанные ферменты используют растворимые субстраты. В некоторых случаях фермент локализуется в такой области мембраны, где велика концентрация субстрата. Например, ацетилхолинэстераза, катализирующая гидролиз ацетилхолина, по-видимому, фиксируется в постсинаптической мембране с помощью ковалентной сшивки с фосфатидилинозитольным гликолипидом. Целый ряд ферментов, участвующих в гидролизе крахмала и белков, прикрепляется к мембранам микроворсинок кишечника с помощью гидрофобных доменов, расположенных в N-концевой части полипептидов.

Ферменты, образующие мембраносвязанный комплекс для облегчения канализации субстрата. Мембраны могут служить своеобразным организующим каркасом, с которым связываются периферические ферменты с образованием мультиферментного комплекса. Имеются косвенные данные о том, что участвующие в реакциях цикла Кребса ферменты матрикса митохондрий связываются с мембраной таким образом, что продукт одного фермента становится субстратом другого, не выходя за пределы мультиферментного комплекса.

Ферменты, которые совершают челночные перемещения между цитозолем и мембраной и активность которых модулируется связыванием с мембраной. Эта группа мембранных ферментов обнаружена недавно. Они способны связываться либо прямо с поверхностью фосфолипидного бислоя, либо со специфическими белковыми рецепторами. Чаще всего эти ферменты активируются при связывании с мембраной, но иногда наблюдается и их инактивация. Типичными примерами ферментов, активирующихся при связывании, являются протеинкиназа С и некоторые ферменты, участвующие в каскаде свертывания крови.

Важность связывания ферментов с биомембраной выявлена не только для интегральных белков, но и продемонстрирована в ряде случаев для периферических белков, например, пируватоксидазы — периферического фермента, катализирующего окисление пирувата до уксусной кислоты и восстановление убихинона. Указанный фермент циркулирует в организме и связывается с плазматической мембраной лишь в присутствии субстрата и кофактора; при этом в молекуле белка формируется С-концевой липидсвязывающий домен.

Трансмембранные ферменты, катализирующие сопряжённые реакции на противоположных сторонах мембраны. Расположенные на противоположных сторонах мембраны активные центры ферментов сопряжены друг с другом с помощью потока электронов, генерирующего трансмембранный электрический потенциал. К этому классу ферментов могут быть отнесены также многие рецепторы. Связывание лиганда (например, гормона) с доменом, локализованным с наружной стороны клеточной мембраны, приводит к изменениям в цитоплазматическом домене белков, которые, в свою очередь, инициируют клеточный ответ. В этом случае через мембрану переносится информация, а не заряды или какие-либо растворенные молекулы. Показано, что некоторые рецепторы являются тирозиновыми протеинкиназами и, следовательно, представляют собой мембранные ферменты, обладающие каталитической активностью.