Структура и свойства клеточных мембран

Тема: «СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН.

ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ»

1. Научно-методическое обоснование темы:

Биологические мембраны являются важной частью клетки. Они ограничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют генерации электрических потенциалов. Нарушение функций клеточной и внутриклеточной мембраны лежит в основе необратимого повреждения клеток и, как следствие, развития тяжелых заболеваний сердечно-сосудистой, нервной, эндокринной систем. Поэтому медикам необходимо знать физические свойства биологических мембран и основные физические процессы, которые в них происходят.

Живые системы на всех уровнях организации — открытые системы, поэтому транспорт веществ через биологические мембраны — необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны. Эффективность лекарственного препарата в значительной степени зависит от проницаемости для него мембраны.

2. Теория:

1.Структура и строение мембран

В конце XX столетия становилось все более очевидным, что большинство клеточных функций осуществляется при непосредственном участии мембран. Растительные и животные клетки разделены на отсеки, многие цитоплазматические органеллы имеют мембранную природу. Кроме органелл, свойственных большинству клеток, имеются и специализированные мембранные системы, например цитоплазматический ретикулум мышечных клеток, миелиновая оболочка периферических нервных волокон и т. д. Поэтому изучение физических основ функционирования биомембран стало очень важным.

Мембраны представляют собой плоские или изогнутые слои толщиной до 10 нм, образованные молекулами белков, жиров (липидов) и углеводов. Мембраны – это клеточные структуры, повсеместно встречающиеся в живых клетках и регулирующие обмен различными веществами между клеткой и внешней средой (клеточные или плазматические мембраны), либо между различными частями клетки (внутриклеточные мембраны).

Согласно современным представлениям, все клеточные и внутриклеточные мембраны устроены сходным образом: основу мембраны составляет двойной молекулярный слой липидов (липидный бислой), на котором и в толще которого находятся белки (рис.1). В липидный бислой встроены белковые молекулы, придающие специфические свойства различным участкам мембран, и тем самым, позволяющие последним принимать участие в разнообразных метаболических процессах.

Рис.1. Общая схема строения биологических мембран

В табл. 1 приведено относительное содержание белков и липидов в некоторых мембранах. Грубо говоря, по массе мембраны состоят наполовину из белков, наполовину — из липидов, но во внутриклеточных мембранах, содержащих переносчики электронов (внутренние мембраны митохондрий, мембраны микросом), белков существенно больше, чем липидов. На долю углеводов может приходиться около 10 % массы мембран, они всегда входят в состав гликолипидов и гликопротеидов.

Таблица1. Относительное содержание белков и липидов (в %) в некоторых мембранах

В состав липидов мембран входят в основном фосфолипиды, сфингомиелины и холестерин (см. табл. 2).

Таблица 2. Состав липидов в мембранах эритроцитов человека

Как видно из табл. 3, основные фосфолипиды мембран — это фосфатидилхолин (лецитин), фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит и кардиолипин.

Таблица 3. Содержание фосфолипидов и сфингомиелина в мозгу и почках человека

Липидные бислои образуются амфифильными молекулами фосфолипидов и сфингомиелина в водной фазе. Амфифильными эти молекулы называют потому, что они состоят из двух частей, различных по своей растворимости в воде: полярной головы обладающей высоким сродством к воде, т. е. гидрофильной, и хвоста, образуемого неполярными углеводородными цепями жирных кислот; эта часть молекулы обладает низким сродством к воде, т. е. гидрофобна.

Основу (матрицу) мембраны образуют фосфолипидные молекулы, каждая из которых имеет полярную голову и неполярный хвост (рис.1).

Рис.1. Молекула воды (слева) и молекула фосфолипида (справа), состоящая из полярной головы и неполярного хвоста. Головы гидрофильны, хвосты гидрофобны

В водном растворе молекулы фосфолипидов самопроизвольно собираются и образуют двойной слой (бислой), при этом гидрофильные головы располагаются на обращенных к воде поверхностях, а гидрофобные хвосты направлены друг к другу и вытесняют из внутренней области молекулы воды. Толщина липидного бислоя составляет примерно 4-5 нм (рис. 2).

Рис.2. Фосфолипидный бислой

Данные рентгеноструктурного анализа показывают, что молекулы фосфолипидов имеют форму сплюснутого с боков цилиндра, а по длине как бы делятся на две неравные части: небольшую "голову", состоящую из полярных групп, и длинный "хвост", образованный углеводородными цепями жирных кислот, входящих в состав фосфолипида (рис.3).

Рис.3. Структура фосфолипида

Именно такое строение молекулы и приводит к тому, что в водных растворах фосфолипидные молекулы самособираются в бислойную мембрану. В мембране "жирные хвосты" упрятаны внутрь, а снаружи в контакте с водным окружением оказываются полярные "головы" этих молекул.

Рис. 4. Самосборка фосфолипидных молекул в липидные везикулы в водном растворе.

В водном растворе происходит самосборка мембран (справа) и замыкание мембран с образованием липидных пузырьков, называемых липосомами (слева).

В настоящее время общепринятой является предложенная в 1972 г. Синджером и Николсоном жидко-мозаичная модель строения биологических мембран. Структурную основу биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов, инкрустированный белками (рис. 5).

Рис.5. Жидко-мозаичная модель мембраны. 1 – поверхностные белки; 2 – полупогруженные белки; 3 –погруженные или интегральные белки; 4 – белки, формирующие ионный канал; 5-ионный канал.

Как упоминалось выше, кроме фосфолипидов и белков, в биологических мембранах содержатся и другие химические соединения. В мембранах животных клеток много холестерина (в сравнимом количестве с фосфолипидами и белками). Есть в мембранах и другие вещества, например гликолипиды, гликопротеиды.

Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны, как всякая модель, дает довольно упрощенную картину строения мембраны. В частности выяснилось, что не все липиды в мембране расположены по принципу бислоя. Физические методы исследования показали, что липидная фаза мембран содержит также участки, где липидные молекулы не образуют двойной слой.

Оказалось также, что липидный бислой не является полностью однородным, а содержит домены, названные позднее рафтами (рафт в переводе с английского означает плот или паром). Липидные рафты являются динамическими ансамблями белков и липидов, способными свободно плавать в жидком бислое клеточной мембраны. Как правило, они содержат сфинголипиды и холестерин во внешнем монослое мембраны, связанными с фосфолипидами и холестерином во внутреннем монослое. Обнаружены были рафты благодаря их необычайно высокой устойчивости к действию детергентов, которые легко растворяли липиды, не образующие рафты. Эти структуры

более упорядочены и обладают высокой плотностью благодаря тому, что рафт обычно включает липиды с насыщенными жирнокислотными радикалами. Принципиально важным обстоятельством является то, что в состав рафта включаются многие мембранные белки. В отличие от классической модели Синджера-Николсона белки способны к перемещению в плоскости мембраны по большей части не сами по себе, а в составе рафтов. В физиологии с рафтами связывают функционирование системы внутриклеточной сигнализации. Участие рафтов доказано для многих клеточных патологий, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, атеросклероз, бактериальные и вирусные инфекции.

2. Физические свойства мембран. Подвижность фосфолипидных молекул в мембранах

Режим функционирования мембраны сильно зависит от:

1)  микровязкости липидного бислоя,

2)  подвижности фосфолипидных молекул в мембране,