Наши партнеры

Протопласт снаружи и изнутри ограничен мембранами — плазмалеммой и тонопластом; плазмалемма отделяет его от клеточной стенки, а тонопласт — от вакуоли. В электронном микроскопе (при увеличении в миллион раз и более) эти мембраны, соответствующим образом окрашенные, выглядят как две темные полосы, расположенные на расстоянии 6—10 нм друг от друга. В протопласте имеются также различные тельца, так называемые органеллы. Среди них прежде всего бросаются в глаза одно крупное ядро и многочисленные более мелкие митохондрии и хлоропласты. У каждой из органелл есть свои функции. Эти функции осуществляются в уникальной внутренней среде, создаваемой избирательной проницаемостью и другими специфическими свойствами мембран, окружающих органеллу и отделяющих ее от всего остального протопласта. Избирательная проницаемость означает, что различные вещества проникают сквозь данную мембрану с разными скоростями, в основном по причине разной их растворимости в отдельных компонентах мембраны. Кроме того, в мембранах имеются также своеобразные «насосы», т. е. системы, активно перекачивающие через мембрану те или иные вещества с использованием для этой цели энергии. Результатом такой деятельности оказывается неравномерное распределение некоторых веществ или элементов: калий, например, присутствует обычно в протопласте в значительно более высокой концентрации, нежели в наружной среде, тогда как родственный ему элемент натрий у большинства растений практически «выталкивается» из протопласта.

Методом дифференциального центрифугирования мембраны выделяют из клеток (при этом в осадке оказывается смесь различных мембран) и подвергают химическому анализу. В процессе выделения мембраны обычно рвутся, поскольку это структуры тонкие и хрупкие, с весьма большой площадью поверхности; однако затем концы их фрагментов часто сливаются, и тогда возникают сферические пузырьки. Анализ таких пузырьков, полученных из большого числа различных мембран, выявил в них присутствие двух главных компонентов: белка и фосфолипида. Липиды из разных мембран в достаточной мере сходны, что же касается белков, то каждому типу мембран свойствен свой тип белка, соответствующий тем физиологическим функциям, которые данная мембрана выполняет в клетке. Известно, например, что активные белки (ферменты), регулирующие транспорт минеральных веществ — поступление их в клетку и выход из клетки, — локализуются в плазмалемме и тонопласте; ферменты, участвующие в фотосинтезе, сосредоточены в мембранных системах зеленых хлоропластов; и наконец, ферменты, катализирующие окислительные реакции процесса дыхания, находятся в митохондриальных мембранах.

Если смешать соответствующие фосфолипиды и белки и нанести эту смесь на поверхность воды, то спонтанно образуются мембраноподобные структуры, сходные по толщине с биологическими мембранами. Исследование таких искусственных мембран, приготовленных из белков и липидов природных мембран, дает нам возможность лучше понять структуру и функцию биологических мембран. Искусственные мембраны обнаруживают разную проницаемость для разных ионов в зависимости от природы белков и липидов, входящих в их состав. Чрезвычайно интересные эффекты можно наблюдать при добавлении к искусственным мембранам некоторых антибиотиков. Валиномицин, например, благодаря своей структуре (т. е. определенным размерам и заряду молекулы) оказывается способным притягивать и удерживать ионы калия, но не притягивает ионов натрия (рис. 2.5). Если добавить валиномицин к искусственной мембране, отделяющей растворы с ионами К+ и Na+ от чистой воды, то скорость перемещения ионов К+ через мембрану возрастет в несколько раз, тогда как скорость переноса ионов Na+ останется практически неизменной. Иначе действует грамицидин, молекула которого имеет иные размеры и другую структуру: при добавлении к мембране грамицидина увеличивается скорость переноса обоих ионов — не только К+, но и Na+. Искусственные мембраны используются также для изучения механизмов, при помощи которых свет и гормоны регулируют рост растений (об этом мы будем говорить далее).

Плазмалемма обращена одной своей стороной к клеточной стенке, а другой — к цитоплазме; обе эти оводненные структуры контактируют, как принято считать, с гидрофильными, заряженными участками мембран. Поскольку белки содержат больше заряженных групп, чем липиды, в первых моделях мембран предполагалось, что плазмалемма состоит из двух наружных белковых слоев и одного липидного слоя между ними. Такая модель мембранной структуры оставалась общепризнанной до начала 1970-х гг., когда были получены некоторые новые данные и стало ясно, что модель нуждается в пересмотре. Несовместимыми с этой моделью «сэндвича» оказались, например, данные электронной микроскопии, полученные методом замораживания — травления. Исследуемую ткань сначала замораживают в жидком азоте, а затем раскалывают тупым микротомным ножом, так что скол проходит в плоскости, параллельной поверхности мембраны. После этого образец выдерживают под вакуумом для возгонки льда (сублимации). Эта процедура и называется травлением. Затем образец напыляют углем или металлом, чтобы выявить детали строения обнажившейся поверхности. Полученная таким образом реплика (копия) поверхности препарата и является объектом электронно-микроскопического исследования. На таких репликах видны вкрапленные в гладкую поверхность мембраны крупные частицы — глобулярные белки. Наличие особого «рисунка» поверхности мембраны удалось подтвердить и другим методом, а именно с помощью лектинов — особых белков (их выделяют из семян), которые прикрепляются к дискретным и специфическим белковым рецепторам на мембранной поверхности и позволяют выявить эти рецепторы.

Результаты, полученные этими и некоторыми другими методами, дали возможность предположить, что мембраны имеют мозаичное строение и состоят из липидного матрикса, в который в разных местах вкраплены белки. Такая модель учитывает, что не все участки белковой молекулы гидрофильны, а липиды не полностью гидрофобны. Согласно этой модели, заряженные (полярные) группы белковых и липидных молекул находятся на наружной поверхности мембраны, в контакте с клеточной водой, а незаряженные (неполярные) группы образуют внутреннюю гидрофобную часть мембраны. Предполагается также, что одни белки непрочно прикреплены к наружной поверхности мембраны, тогда как другие (так называемые интегральные белки) пронизывают всю толщу мембраны. К такому заключению приводят биохимические эксперименты: они показывают, что часть белков легко отделяется от мембран, а отделение других оказывается возможным лишь после полного распада мембранной структуры.

На основании первых исследований структура мембран представлялась нам стабильной и жесткой, однако в последнее время быстро накапливаются данные, свидетельствующие о том,, что по крайней мере липидный компонент мембран имеет жидкостную природу и, следовательно, мобилен. Кроме того, опыты с радиоактивно меченными предшественниками отдельных мембранных компонентов показали, что скорость метаболического обновления некоторых участков мембраны очень высока, т. е. что эти участки непрерывно разрушаются и ресинтезируются. Вводя меченые предшественники в зрелую ткань, мы можем наблюдать, как они включаются в мембраны, остаются в них на протяжении нескольких часов, а затем исчезают из мембран и обнаруживаются в каких-нибудь других частях клетки.

Жизнь растения