Биомембранология

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

А.А. Болдырев, Е.И. Кяйвяряйнен, В.А. Илюха 

БИОМЕМБРАНОЛОГИЯ 

Учебное 
пособие 
для студентов 
высших учебных 
заведений, 
специализирующихся 
в области биологии, медицины и психологии 

Издание второе, 
исправленное и дополненное 

Красноярск 
СФУ 
2008 

УДК 571.1 
ББК 28.071я73 
Б 79 

Рецензенты: академик РАМН, доктор мед. наук, профессор З.А. СУСЛИНА, 
член-корр. РАН, доктор биол. наук, профессор Н.Н. НЕМОВА 

Научный редактор - профессор В.А. КРАТАСЮК 

Болдырев А.А. 

Б 79 Биомембранология: учеб. пособие / А.А. Болдырев, Е.И. Кяйвяряйнен, 
В.А. Илюха. - Изд. 2-е, испр. и доп. - Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2008. - 187 с. 

ISBN 978-5-7638-1241-1 

Учебное пособие «Биомембранология» описывает основные закономерности 
строения и функционирования клеточных мембран. Написано на основании анализа современных достижений клеточной биологии, нейрохимии и иммунологии, во 
многом отражает экспериментальный опыт самих авторов, много лет работающих 
в этой области естествознания. Книга подводит итог чтения курса по этой специальности в МГУ им. М.В. Ломоносова, Петрозаводском и Тюменском государственных университетах, а также в Университете штата Нью-Йорк (США). 

Рекомендуется для студентов и аспирантов естественно-научных вузов и институтов, специализирующихся в области биохимии, органической химии, биотехнологии, физиологии и психологии, а также для специалистов, изучающих широкий круг биологических явлений. 
78 рисунков, 12 таблиц. 

ISBN 978-5-7638-1241-1 

© Сибирский федеральный 
университет, 2008 

СОДЕРЖАНИЕ 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
5 

К ЧИТАТЕЛЮ 
6 

1. ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СТРОЕНИИ МЕМБРАН 
7 

2. КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАННЫЕ СТРУКТУРЫ 
11 

3. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ МЕМБРАН 
17 

4. СОСТАВ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН 
19 

4.1. МЕМБРАННЫЕ ЛИПИДЫ 
19 

4.1.1. Фосфолипиды, гликолипиды, стероиды 
19 

4.1.2. Роль холестерина в биологических мембранах 
26 

4.1.3. Жирные кислоты и их пространственная конфигурация 
29 

4.2. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ 
33 

4.2.1. Фосфолипиды как структурная основа бислоя 
33 

4.2.2. Трансмембранная асимметрия липидов 
39 

4.2.3. Различные виды подвижности компонентов липидного бислоя 
40 

4.2.4. Дефектные зоны. Роль холестерина 
42 

4.2.5. Микровязкость мембран 
44 

4.2.6.Фазовые переходы мембранных липидов 
45 

4.2.7. Биологические функции мембранных липидов 
48 

4.3. УГЛЕВОДЫ МЕМБРАН 
50 

4.4. МЕМБРАННЫЕ БЕЛКИ, ОСОБЕННОСТИ ИХ СТРОЕНИЯ 
51 

4.4.1. Локализация и подвижность белков в бислое...: 
53 

4.4.2. Белок-липидные взаимодействия 
58 

4.4.3. Функции мембранных белков 
59 

4.5. ЦИТОСКЕЛЕТ И ГЛИКОКАЛИКС МЕМБРАН 
61 

5. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ 
К ИССЛЕДОВАНИЮ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН 
65 

5.1. ВЫДЕЛЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКА МЕМБРАННЫХ ФРАКЦИЙ 
65 

5.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕМБРАННЫХ СТРУКТУР 
68 

5.2.1. Дифракция рентгеновских лучей 
68 

5.2.2. Электронная микроскопия 
69 

5.3. МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ 
МЕМБРАННЫХ СИСТЕМ И ЛИПИД-БЕЛКОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ 
71 

5.3.1. Микровязкость мембран и применимость мембранных зондов 
73 

5.3.2. Электронный парамагнитный резонанс 
76 

5.3.3. Деполяризация флуоресценции 
78 

5.3.4. Ядерно-магнитный резонанс 
79 

5.3.5. Метод кругового дихроизма 
83 

5.3.6. Метод сканирующей калориметрии 
84 

5.3.7. Флуоресцентная спектроскопия 
85 

6. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ 
89 

6.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ 
89 

6.2. ТРАНСПОРТ ВОДЫ 
103 

6.3. ИОННЫЙ ГОМЕОСТАЗ КЛЕТКИ 
104 

6.4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ 
ПЕРВИЧНО-АКТИВНОГО ТРАНСПОРТА ИОНОВ 
109 

6.4.1. No/K-АТФаза 
112 

6.4.2. Н-АТФаза 
118 

6.4.3. Са-АТФазы 
120 

7. АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА 
И СОСТОЯНИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА 
123 

7.1. СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ И УТИЛИЗАЦИИ АФК 
И ПРОДУКТОВ ПОЛ 
123 

7.2. УЧАСТИЕ АФК В ЛЕЙКОЦИТАРНОМ ВЗРЫВЕ 
И СИНТЕЗЕ ПРОСТАГЛАНДИНОВ 
131 

7.3. АФК И ПРОДУКТЫ ПОЛ КАК СИГНАЛЬНЫЕ МОЛЕКУЛЫ 
134 

7.4. НАРУШЕНИЯ МЕМБРАННЫХ СТРУКТУР, 
СВЯЗАННЫЕ С ПОВЫШЕНИЕМ КОНЦЕНТРАЦИИ АФК 
137 

8. ПЕРЕДАЧА (ТРАНСДУКЦИЯ) ИНФОРМАЦИИ 
ЧЕРЕЗ КЛЕТОЧНУЮ МЕМБРАНУ 
145 

8.1. ТИПЫ РЕЦЕПТОРОВ 
147 

8.1.1. G-белки и вторичные мессенджеры 
151 

8.1.2. Роль мембранных фосфоинозитидов в передаче сигнала 
156 

8.1.3. Метаболизм фосфоинозитидов и регуляция проницаемости мембран 
для ионов Са2+ 
159 

8.1.4. Другие типы вторичных посредников 
161 

8.2. ПЕРЕДАЧА ГОРМОНАЛЬНОГО СИГНАЛА ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ 
161 

8.3. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА 
В ФОТОРЕЦЕПТОРНЫХ КЛЕТКАХ СЕТЧАТКИ 
165 

8.4. БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ОБОНЯНИЯ 
И УСИЛЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ ЗАПАХОВЫХ СИГНАЛОВ 
172 

8.5. РЕЦЕПТОРЫ ВОЗБУДИМЫХ ТКАНЕЙ 
174 

8.6. МЕХАНОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ИОННЫЕ КАНАЛЫ 
179 

8.7. РЕЦЕПТОРЫ, ОТВЕЧАЮЩИЕ 
ЗА ПЕРЕНОС МАКРОМОЛЕКУЛ В КЛЕТКУ 
180 

ПОСЛЕСЛОВИЕ 
184 

БЛАГОДАРНОСТИ 
185 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 
186 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

Основные сокращения, принятые в тексте, соответствуют рекомендациям комиссии по биохимической номенклатуре IUPAC. 

Другие используемые сокращения приведены ниже: 
АФК 
- активные формы кислорода 

АЦ 
- аденилатциклаза 

ДАГ 
- диацилглицерол 

ДЦКД - дициклогексилкарбодиимид 
ДЭС 
- диэтилстильбестрол 

ИФЗ 
- инозитол-1,4,5-трифосфат 

ККМ 
- критическая концентрация мицеллообразования 

ЛНП 
- липопротеины низкой плотности 

ЛОНП - липопротеины очень низкой плотности 
ЛПП 
- липопротеины промежуточной плотности 

МДА 
- малоновый диальдегид 

мХР 
- мускариновый холинергический рецептор 

ПК 
- протеинкиназа 

ПОЛ 
- перекисное окисление липидов 

СМ 
- сфингомиелин 

СОД 
- супероксиддисмутаза 

CP 
- саркоплазматический ретикулум 

ТК 
- тирозинкиназа 

ФДЭ 
- фосфодиэстераза 

ФИФ2 - фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат 
ФРК 
- фактор роста клеток 

ФРЭ 
- фактор роста эпидермиса 

ФХ 
- фосфатидилхолин 

ФЭ 
- фосфатидилэтаноламин 

ФС 
- фосфатидилсерин 

ЭПР 
- электронный парамагнитный резонанс 

ЭР 
- эндоплазматический ретикулум 

ЯМР 
- ядерный магнитный резонанс 

GPCR - рецепторы, связанные с G-белками 
NANA - N-ацетилнейраминовая кислота 
РРаза - пирофосфатаза 

К ЧИТАТЕЛЮ 

Когда Эрла Сазерлэнда, Нобелевского лауреата в области механизмов 
клеточной сигнализации, спросили, что больше всего мешало его открытию 
механизмов передачи сигнала через клеточную мембрану, он ответил: «Незнание того, как она устроена». 

Сегодня для клеточного биолога (нейрохимика, физиолога, биотехнолога, психолога) незнание законов, по которым функционирует клетка, незнание того, как устроена клеточная мембрана, - нонсенс, несовместимый с выбором перспектив современных исследований в области биологии клетки. 

Вот почему мы надеемся, что при всей ограниченности объема этой 
книги, недостаточной глубине и несовершенстве изложения материала, 
она найдет своего читателя, как нашел своего слушателя курс «Биомембранология», читаемый в ряде ведущих вузов нашей страны (МГУ им. М.В. 
Ломоносова, Сибирский федеральный университет, Петрозаводский государственный университет), что, кстати, отличает отечественную систему 
естественно-научного образования от стран-приверженцев Болонской Программы, где этот курс подменяется отрывочными сведениями, излагаемыми «по ходу дела» в лекциях по биохимии, физиологии, биотехнологии или 
биологии клетки. 

Старый спор между преподавателями, что важнее для студента - систематичность и глубина знаний или создание перспектив и научного кругозора, авторы отважно и безоговорочно решают в пользу второго фактора: 
чтобы пытаться найти свое место в науке, надо видеть горизонты ее развития. А когда это место будет найдено, углубление научных знаний будет 
Вашей собственной профессией. Мы от души надеемся, что какое бы направление науки Вы не избрали, биомембранология будет одной из основ 
Вашего естественно-научного мировоззрения. 

Авторы 

1. ЭВОЛЮЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ 

О СТРОЕНИИ МЕМБРАН 

Мембраны играют ключевую роль в структурной организации всех клеток - прокариотических и эукариотических, растительных и животных. По 
мере развития биологии определяющая роль мембран в жизни клетки становится все более очевидной. В силу специфики своего строения мембраны во 
многом определяют особенности функционирования клеток. 

Наличие мембран вокруг живых клеток было установлено более ста пятидесяти лет назад в работах К. Негели, который в 1855 г. обнаружил, что 
неповрежденные клетки могут изменять свой объем при изменении осмотического давления окружающей среды. Эти исследования были продолжены Е. 
Овертоном, показавшим, что неполярные молекулы легче проходят через клеточную мембрану, чем полярные соединения. На основе этих наблюдений он 
впервые высказал предположение, что клеточная мембрана имеет липидную 
природу. Развитие идей о структуре мембран существенно продвинулось благодаря проведенным в 1925 г. работам Е. Гортера и Ф. Грендела, которые впервые выдвинули концепцию липидного бислоя. Эта идея возникла при простом эксперименте. Липиды эритроцитов экстрагировали ацетоном и затем 
получали из них тонкую пленку на поверхности воды. С помощью поплавка 
сжимали слой липидных молекул на границе раздела вода/воздух до тех пор, 
пока этот слой не начинал оказывать сопротивление дальнейшему сжатию; 
это явление было объяснено образованием плотно упакованной мономолекулярной липидной пленки. Измерение площади, занимаемой липидами, и 
сравнение ее с площадью поверхности эритроцитов, из которых эти липиды 
были экстрагированы, дали соотношение 2:1. Отсюда был сделан вывод, что 
мембрана эритроцитов состоит из липидных молекул, расположенных в два 
слоя. По-видимому, этот вывод Е. Гортера и Ф. Грендела оказался правильным только благодаря взаимной компенсации ошибок (во-первых, экстракция 
ацетоном извлекает не все липиды, во-вторых, была дана заниженная оценка 
площади поверхности эритроцитов из-за использования для ее определения 
высушенных клеток). Однако в историческом плане эта работа имела большое 
значение, поскольку концепция липидного бислоя как структурной основы 
биологических мембран на самом деле оказалась верной. 

7 

1. Эволюция представлений о строении мембран 

Мысль о том, что с мембранами связаны белки, высказана десятью годами позже Дж. Даниели в связи с необходимостью объяснить явное расхождение между поверхностным натяжением на границах раздела масло/ 
вода и мембрана/вода. Была выдвинута гипотеза, что мембрана состоит из 
двойного липидного слоя, и предположено, что белок располагается на ее 
поверхности - модель Даниели - Дэвсона, или модель «сэндвича» (рис. 1). 
Это была очень удачная модель, и в течение последующих 30 лет многочисленные экспериментальные данные, особенно полученные с помощью 
дифракции рентгеновских лучей и электронной микроскопии, полностью 
подтвердили ее адекватность. Основными компонентами биологической 
мембраны являются липид и белок; вопрос о взаимном расположении этих 
компонентов в мембране стал предметом многочисленных дискуссий, так 
как обнаружилось, что мембраны выполняют разнообразные функции. 

Быстрый прогресс в мембранологии, в результате которого и сформировались современные представления о структуре и функциях клеточных 
мембран, был достигнут в значительной мере благодаря успехам в изучении 
свойств мембранных белков. Электронно-микроскопические исследования 

Наружная поверхность 

Внутренняя поверхность 

Белон 

h i i £ 5 
13; Л *!/ 

Липид 

белон 

Рис. 1. Модель строения биологических мембран Даниели-Дэвсона 

1. Эволюция 
представлений 
о строении 
мембран 

с применением метода замораживания-скалывания показали, что в мембраны встроены глобулярные частицы. Тем временем биохимикам с помощью 
детергентов удалось «раздробить» мембраны до состояния функционально 
активных «частиц». Данные спектральных исследований указывали, что 
для мембранных белков характерно высокое содержание а-спиралей и что 
они, вероятно, образуют глобулы, а не распределены в виде монослоя на 
поверхности липидного бислоя. Неполярные свойства мембранных белков 
наводили на мысль о наличии гидрофобных контактов между белками и 
внутренней неполярной областью липидного бислоя. С. Сингер и Дж. Никольсон свели воедино все эти идеи, создав жидкостно-мозаичную модель, 
в рамках которой мембрана представляет собой фосфолипидный бислой, в 
который погружены свободно диффундирующие белки (рис. 2). 

Прежняя модель Даниели - Дэвсона была статичной и успешно объясняла имевшиеся в то время структурные данные, полученные с довольно низким разрешением. Начиная с 70-х гг. XX в. большое внимание стало уделяться изучению динамических свойств мембран и их взаимосвязи с 
мембранными функциями. В последние годы жидкостно-мозаичная модель 
также подверглась модификации, и этот процесс будет продолжаться в будущем в соответствии с совершенствованием наших знаний. Выявляются 
новые функции цитоскелета. Становится ясно, что не все мембранные белки 
свободно диффундируют в жидком липидном бислое. Имеются данные о 
существовании в мембране липидных доменов. Обнаружены динамические 
ассоциаты липидов, обладающие более плотной упаковкой (рафты). Выявлен специфический класс амфифильных белков, которые под влиянием 
внеклеточных сигналов меняют свою гидрофобность и обратимо диссоциируют от мембраны. 

Углеводные цепочки 

Периферический белок 

Интегральный белок 
Липид 
Рас. 2. Жидкостно-мозаичная модель строения биологических мембран 

9 

I. Эволюция представлений о строении мембран 

Таким образом, клеточная мембрана все более отличается по своим 
свойствам от «классического» липидного бислоя. Тем не менее, жидкостномозаичная модель в ее разных модификациях все еще служит в качестве концептуальной основы для объяснения многих мембранных феноменов. Сложность создания единой модели биологических мембран связана с огромным 
разнообразием мембранных функций. 

2. КЛЕТОЧНЫЕ МЕМБРАННЫЕ 

СТРУКТУРЫ 

Успехи в исследовании мембран во многом достигнуты благодаря сравнительному изучению мембран из множества разнообразных организмов. 
Данные, полученные при изучении клеток млекопитающих методом электронной микроскопии, свидетельствуют о наличии развитой сети внутриклеточных мембранных образований. Не вызывает сомнений, что основные 
принципы структурной организации всех мембран животной клетки по 
сути одинаковы. Более того, эти принципы распространяются и на мембраны растительных и бактериальных клеток (рис. 3). 

Любая клетка имеет наружную мембрану - ее называют плазматической. Она играет роль преграды, отделяющей живое содержимое от ее окружения. Но плазматическая мембрана не просто оболочка. Она регулирует 
поступление молекул и ионов в клетку и выход их наружу. Кроме того, в ней 
находятся различные ферменты, природа которых зависит от особенностей 
данной клетки. Она содержит специализированные компоненты, участвующие в межклеточных взаимодействиях, в гормональном ответе и системах 
транспорта через мембрану как малых, так и больших молекул. Плазматическая мембрана чрезвычайно эластична, благодаря чему животные клетки 
могут изменять форму без разрыва мембран. 

Большинство растительных клеток в отличие от животных не способны 
изменять свою форму, так как их мембраны окружены толстой, прочной и 
малоупругой оболочкой. Ее называют клеточной стенкой. Стенки имеются 
также у бактерий. Бактериальные клетки имеют довольно простую наружную оболочку, содержащую один или два слоя. 

Внутри клетки мембраны могут образовывать субклеточные частицы 
(органеллы) различного назначения. Их внешний вид неодинаков в клетках 
разного типа. К распространенным внутриклеточным органеллам относятся митохондрии - своеобразные структуры клетки, специализированные на 
образовании АТФ. В этих органеллах осуществляются окислительные превращения субстратов, завершающиеся образованием АТФ. В одной клетке 
может содержаться от нескольких десятков до нескольких тысяч митохондрий. Они очень отличаются по размерам и очертанию. Чаще всего митохон
11 

2. Клеточные мембранные 
структуры 

Животная нлетка 
Растительная нлетна 

клеточная 
стенка 
Хлоропласт 

П/газматичесиая 
мембрана. 

Митохондрии 

ШерохоНатыи 
зндоплазматичесмий 
/ . 
ретияулум 

Примерно 10 мкм 

Рис. 3. Схематическое изображение органелл эукариотических клеток животных 
и растений на основании данных электронной микроскопии 

дрии имеют вид нитей или гранул (по-гречески митос - нить, а хондрион гранула). Иногда они набухают, приобретая форму дубинки. Независимо от 
размера и формы каждая митохондрия содержит две мембраны - наружную 
и внутреннюю. Внутренняя мембрана образует складки в виде перегородок, 
называемых кристами, и содержит ферменты, участвующие в транспорте 
электронов и синтезе АТФ. Пространство, ограниченное этой мембраной, 
носит название матрикса, в нем протекают многие метаболические процессы. Межмембранное пространство также содержит специфические компоненты, отличающие его по составу от цитоплазмы. 

Другие субклеточные органеллы - лизосомы - представляют собой 
окруженные мембранами органеллы, содержащие набор протеолитических 
и других деградационных ферментов, которые расщепляют белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие соединения. Вещества, захваченные 

12