Клітинна мембрана — структурний елемент клітини, захищає її від зовнішнього середовища. За допомогою неї вона взаємодіє з міжклітинною простором і є частиною біологічної системи. Її мембрана має особливу структуру, що складається з ліпідного бішару, інтегральних та полуинтегральних білків. Останні є великими молекулами, які виконують різні функції. Найчастіше вони беруть участь у транспортуванні спеціальних речовин, концентрація яких по різні сторони мембрани ретельно регулюється.

Загальний план будови клітинної мембрани

Плазматична мембрана — це сукупність молекул жирів та складних білків. Її фосфоліпіди своїми гідрофільними залишками розташовуються по різні сторони мембрани, утворюючи ліпідний бислой. Але їх гідрофобні ділянки, що складаються із залишків жирних кислот, звернені всередину. Це дозволяє створити текучу рідко-кристалічну структуру, яка може постійно змінювати форму і знаходиться в динамічній рівновазі. Така особливість будови дозволяє обмежити клітку від міжклітинного простору, тому мембрана в нормі непроникна для води і всіх розчинених у ній речовин. В товщу мембрани занурені деякі складні інтегральні білки, полуинтегральние і поверхневі молекули. За допомогою їх клітина взаємодіє з навколишнім світом, підтримуючи гомеостаз і утворюючи цілісні біологічні тканини.

Білки плазматичної мембрани

Усі білкові молекули, які розташовані на поверхні або в товщі плазматичної мембрани, поділяються на види в залежності від глибини їх залягання. Виділяють інтегральні білки, що пронизують ліпідний бислой, полуинтегральние, які беруть свій початок в гидрофильном ділянці мембрани і виходять назовні, а також поверхневі — розташовані на площі зовнішньої мембрани. Інтегральні білкові молекули особливим чином пронизують плазмолемму і можуть бути з'єднані з рецепторними апаратом. Багато такі молекули пронизують всю мембрану і носять назву трансмембранних. Інші заякорени в гідрофобному ділянці мембрани і виходять або на внутрішню, або на зовнішню поверхню.

Іонні канали клітини

Найчастіше в якості інтегральних складних білків виступають іонні канали. Ці структури відповідальні за активний транспорт деяких речовин в клітину або з неї. Вони складаються з декількох білкових субодиниць і активного центру. При дії певного ліганду на активний центр, представлений специфічним набором амінокислот, відбувається зміна конформації іонного каналу. Такий процес дозволяє відкрити або закрити канал, тим самим запускати або припиняти активний транспорт речовин. Деякі іонні канали більшу частину часу відкриті, однак при надходженні сигналу від рецепторного білка або при приєднанні специфічного ліганду можуть закриватися, припиняючи іонний струм. Цей принцип зводиться до того, що поки не отримано рецепторний або гуморальний сигнал на припинення активного транспорту якогось речовини, він буде здійснюватися. Як тільки надійшов сигнал, транспорт слід припинити.
Велика частина інтегральних білків, які виконують функції іонних каналів, що працюють на заборону транспорту, поки до активного центру не приєднається специфічний ліганд. Тоді відбудеться активація транспорту іонів, що дозволить перезарядити мембрану. Даний алгоритм роботи іонних каналів характерний для клітин збудливих тканин людини.

Типи вбудованих білків

Всі мембранні білки (інтегральні, полуинтегральние і поверхневі) виконують важливі функції. Саме із-за особливої ролі в життєдіяльності клітини вони і мають певний тип убудованості в фосфоліпідну мембрану. Деякі білки, частіше це іонні канали, для реалізації своїх функцій повинні повністю припиняти плазмолемму. Тоді їх називають политопическими, тобто трансмембранними. Інші ж локалізовані своїм якірним ділянкою в гідрофобному ділянці фосфоліпідного бішару, а активним центром виходять тільки на внутрішню або тільки на зовнішню поверхню клітинної мембрани. Тоді їх називають монотопическими. Частіше вони є рецепторними молекулами, які приймають сигнал з поверхні мембрани і передають його спеціальним «посереднику».

Оновлення інтегральних білків

Всі інтегральні молекули повністю пронизують гідрофобний ділянку і закріплюються в ньому таким чином, що допускається їх переміщення вздовж мембрани. Однак западіння білка всередину клітини, рівно як і мимовільний відрив білкової молекули від цитолемми, неможливі. Існує варіант, при якому інтегральні білки мембрани потраплять в цитоплазму. Він пов'язаний з пиноцитозом або фагоцитозом, тобто коли клітина захоплює тверде тіло або рідину і оточує його мембраною. Потім вона втаскивается всередину разом з вбудованими в неї білками. Звичайно, це не найефективніший спосіб обміну енергією в клітці, бо всі білки, які раніше виконували функції рецепторів або іонних каналів, будуть переварені лизосомой. Це зажадає їх нового синтезу, що витратиться значна частина енергетичних запасів макроергів. Проте в ході «експлуатації» молекули іонних каналів або рецептори часто пошкоджуються, аж до відриву ділянок молекули. Це також вимагає їх повторного синтезу. Тому фагоцитоз, нехай він і відбувається з розщепленням власних рецепторних молекул, є ще й способом їх постійного оновлення.

Гідрофобна взаємодія інтегральних білків

Як було описано вище, інтегральні білки мембрани є складними молекулами, які ніби застряють в цитоплазматичної мембрані. В той же час вони можуть вільно плавати в ній, переміщаючись уздовж плазмолеми, але не можуть відірватися від неї і потрапити в міжклітинний простір. Реалізується це за рахунок особливостей гідрофобної взаємодії інтегральних білків з фосфоліпідами мембрани. Активні центри інтегральних білків розташовуються або на внутрішній або зовнішній поверхні ліпідного бішару. А той фрагмент макромолекули, який відповідає за щільну фіксацію, завжди розташовується серед гідрофобних ділянок фосфоліпідів. За рахунок взаємодії з ними все трансмембранні білки завжди залишаються в товщі клітинної оболонки.

Функції інтегральних макромолекул

Будь-інтегральний мембранний білок має якірний ділянку, розташований серед гідрофобних залишків фосфоліпідів, і активний центр. У деяких молекул активний центр один і розташовується на внутрішній або зовнішній поверхні мембрани. Існують також молекули з кількома активними центрами. Все це залежить від функцій, які виконують інтегральні і периферичні білки. Перша їхня функція — це активний транспорт. Білкові макромолекули, які відповідають за пропуск іонів, складаються з декількох субодиниць і регулюють іонний струм. У нормі плазматична мембрана не може пропускати гідратовані іони, так як за своєю природою є ліпідом. Наявність іонних каналів, якими є інтегральні білки, що дозволяє іонам проникати в цитоплазму і перезаряджати клітинну мембрану. Це є основним механізмом виникнення мембранного потенціалу клітин збудливих тканин.

Рецепторні молекули

Друга функція інтегральних молекул — це рецепторна. Один ліпідний бислой мембрани реалізує захисну функцію і повністю обмежує клітину від зовнішнього середовища. Однак за рахунок наявності рецепторних молекул, які представлені інтегральними білками, клітина може отримувати сигнали від навколишнього середовища і взаємодіяти з нею. Прикладом є адреналовий рецептор кардіоміоциту, білок клітинної адгезії, інсуліновий рецептор. Особливим прикладом рецепторного білка є бактериородопсин — особливий мембранний білок, який є у деяких бактерій, дозволяючи їм реагувати на освітлення.

Білки міжклітинної взаємодії

Третя група функцій інтегральних білків — це реалізація міжклітинних контактів. Завдяки їм одна клітина може приєднатися до іншої, створюючи цим ланцюг передачі інформації. За таким механізмом працюють нексуси — щілинні контакти між кардиомиоцитами, за яким передається серцевий ритм. Такий же принцип роботи спостерігається і у синапсів, за якими в нервових тканинах передається імпульс. За допомогою інтегральних білків клітини можуть створювати і механічну зв'язок, що має важливість при утворенні цілісної біологічної тканини. Також інтегральні білки можуть грати роль мембранних ферментів і брати участь в передачі енергії, у тому числі й нервових імпульсів.