uzluga.ru
добавить свой файл
1 2 3


Тема 4. Биофизика мембранных процессов

Биофизика мембран изучает структуру биологических мембран, транспорт веществ через них, генерацию и распространение нервного импульса, процессы рецепции и преобразования энергии.

Биологические мембраны выполняют в организме множество функций: они ограничивают клетку и клеточные органеллы, разделяя клетку на отдельные области, что позволяет поддерживать неравновесное состояние организма; формируют межклеточные контакты; обеспечивают механическую защиту клеток, избирательный и регулируемы транспорт веществ, проведение нервного импульса; участвуют в синтезе АТФ; обеспечивают оптимальное расположение в пространстве мембранных белков, которые осуществляют ферментативные реакции; обеспечивают работу рецепторов, иммунной системы.

Структура мембран. В настоящее время общепризнанной является жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны, предложенная в 1971 году Николсоном и Сингером. Согласно этой модели структурную основу биологической мембраны составляет фосфолипидный бимолекулярный слой, который выполняет функцию барьера для ионов и водорастворимых молекул и функцию основы, матрицы для мембранных ферментов, рецепторов и других, встроенных в мембраны, белков, гликолипидов и гликопротеидов. В состав липидов плазматических мембран входит много холестерина.

c:\documents and settings\olga\мои документы\file0001.jpg

Рис. 1. Схема строения биологической мембраны: 1 – гидрофильные «головки» липидов; 2 – гидрофобные «хвосты» липидов; 3 – гидрофильная липидная пора; 4 – интегральные белки; 5 – углеводная компонента гликолипида; 6 – микротрубочка; 7 – белковый канал; 8 – периферические белки.

Молекулы фосфолипидов обладают свойствами амфифильности, которое заключается в том, что часть молекулы полярна (а потому гидрофильна), а другая – неполярна (и гидрофобна). Это обусловлено особенностями химической структуры фосфолипидов, молекулы которых строятся из глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты и полярного соединения, характерного для каждого класса фосфолипидов (холин, серин, этаноламин и др.). При этом полярную гидрофильную часть называют «головкой», а неполярную гидрофобную – «хвостом». Соотношение длин «головки» и «хвоста» составляет 1:4. Благодаря такому строению фосфолипиды мембран в водной среде стремятся расположиться таким образом, чтобы неполярные «хвосты» контактировали друг с другом, а полярные «головки» - с водой. Поэтому липиды в гидрофильной среде самопроизвольно формируют бислой: внутри оказываются гидрофобные участки, а снаружи – гидрофильные. Такая организация липидных молекул отвечает состоянию с наименьшим значением потенциала Гиббса. Образовавшийся билипидный слой не образует краёв, а стремится замкнуться на себя. Подобное строгое пространственное расположение молекул в мембране во многом определяет её физические свойства. Мембраны имеют высокое удельное электрическое сопротивление, высокую удельную ёмкость и диэлектрическую проницаемость.

Большинство фософолипидов имеют два жирнокислотных остатка. Такие липиды своей формой напоминают сплющенный цилиндр. Если же в липиде одна из двух жирных кислот отсутствует, например, в результате перекисного окисления липидов или действия некоторых фосфолипаз, то молекула напоминает конус. В водном растворе такие липиды образуют мицеллы, а в мембране – гидрофильные поры, через которые способны проходить молекулы воды и ионы, для которых в норме проницаемость мембраны крайне мала. Изменение проницаемости мембраны для веществ может привести к нарушению функционирования и гибели клетки. Так, например, ионизирующее излучение усиливает процессы перекисного окисления липидов, а, следовательно, способствует образованию пор, что является одним из механизмов поражения клетки.

Мембраны содержат большое число различных белков. Их количество так велико, что поверхностное натяжение мембраны ближе к величине поверхностного натяжения на границе раздела «белок-вода», чем «липид-вода». Концентрация мембранных белков зависит от вида клетки. Например, в миелиновой оболочке аксона белков в 2,5 раза меньше, чем липидов, а в эритроцитарной мембране, наоборот, - белков в 2,5 раза больше. Одни белки находятся на поверхности мембраны (периферические), другие частично погружены в липидный слой или пронизывают мембрану насквозь (интегральные белки).

Интегральные белки, так же как и липиды, обладают свойством амфифильности: та часть белка, которая находится в мембране, состоит из гидрофобных аминокислот, скрученных в α-спираль; другая часть, выступающая из мембраны, - гидрофильных аминокислот. Интегральные белки удерживаются в мембране благодаря гидрофобным взаимодействиям. Но иногда их удерживают молекулы цитоскелета – микротрубочки и микрофиламенты. К концу интегрального белка, выступающего во внеклеточную среду, могут быть присоединены углеводы. Эти комплексы называются гликопротеинами. Они часто являются рецепторами, участвующими в иммунных реакциях. Примерами интегральных белков являются белок фоторецепторных мембран – бактериородопсин, пронизывающий мембрану семь раз, белок эритроцитов – гликофорин, к полипептидной цепи которых могут быть присоединены различные олигосахариды; эти гликопротеины определяют группу крови системы АВ0. Многие интегральные белки образуют каналы, через которые могут проходить водорастворимые молекулы и ионы. В этом случае внутренняя часть канала содержит гидрофильные радикалы аминокислот. Интегральные белки связаны с липидами прочными гидрофобными взаимодействиями.

Периферические белки могут находиться как с внутренней, так и с внешней стороны мембраны. Обычно они связаны с липидами электростатическими взаимодействиями, то есть значительно слабее, чем интегральные белки. Поэтому периферические белки легко удаляются с мембраны.

В плазматических мембранах большинства клеток к бислою снаружи примыкает гликокаликс, состоящий из гликолипидов и гликопротеинов. Удельная доля углеводов в биомембранах составляет не более 10-15%.

Толщина биологических мембран составляет 5-10 нм, однако, несмотря на это, их доля в сухой массе клеток превышает 50%. Это объясняется плотной упаковкой компонентов мембран, а также большой суммарной площадью цитоплазматических и внутриклеточных мембран.

Все природные мембраны асимметричны, то есть одинаковые молекулы липидов находятся на наружной и внутренней поверхности в различных концентрациях. Свойство асимметрии присуще и расположению мембранных белков.

Мембранные липиды и белки обладают большой подвижностью, то есть способны диффундировать вследствие теплового движения. Если перемещение их молекул происходит в пределах одного мембранного слоя, то такой процесс называется латеральной диффузией; если же их молекулы перемещаются из одного слоя в другой, то такой процесс называется «флип-флоп» - переход. По сравнению с латеральной диффузией «флип-флоп»-переход происходит гораздо реже. Среднее время между переходами молекулы фосфолипида с одной поверхности мембраны на другую не превышает одного часа. Молекулы белков почти не испытывают таких переходов. Скорость перемещения молекул липидов выше, чем молекул белка. Молекулы перемещаются с помощью поступательного движения, могут совершать и вращательные движения. Подвижность некоторых мембранных белков бывает резко ограничена микротрубочками или микрофиламентами, которые удерживают их в определенном месте на мембране. Большие различия между скоростями латеральной диффузии и «флип-флоп»-переходов очень важны. Столь большая скорость латеральной диффузии обеспечивает высокую скорость химических реакций, происходящих на мембранах, а малая скорость «флип-флоп»-переходов способствует сохранению асимметрии мембран.

В организме позвоночных, а также многих беспозвоночных животных существуют так называемые базальные мембраны. Эти мембраны представляют собой стенки, окружающие группы клеток, часто они расположены между эпителиальной и соединительной тканью, в стенках кровеносных сосудов. Строение базальных мембран принципиально отличается от строения билипидных мембран клеток. Базальные мембраны в основном состоят из гликолипидов и белков. Они обеспечивают механические связи между клетками, играют роль фильтра, особенно в стенках кровеносных сосудов, где они регулируют проникновение веществ из крови в ткань. Система базальных мембран капилляров мозга называется гематоэнцефалическим барьером. Благодаря нему в мозг не проникают многие вещества.

Фазовые переходы в мембранах. При нормальных физиологических условиях мембраны находятся в жидком состоянии, однако, в отличие от жидкостей, они имеют строгую упорядоченную структуру, поэтому это состояние мембран называется жидкокристаллическим. По данным физических методов биологические мембраны способны испытывать фазовый переход первого рода. С понижением температуры мембраны переходят из жидкокристаллического состояния (золь) в твердокристаллическое (гель). При таком переходе сохраняется общая структура мембраны, но порядок в системе еще более возрастает: «хвосты» липидов вытянуты строго параллельно друг другу, их колебания ограничены. Если в золь-состоянии площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулу липида, составляет 0,58 нм2, то в гель-состоянии эта величина уменьшается до 0,48 нм2. Толщина мембраны при переходе в гель-состояние увеличивается, но за счет уменьшения площади объём мембраны в целом уменьшается.

Подвижность липидных молекул в обоих фазовых состояниях существенно отличается. В гель-состоянии липиды способны совершать только совместные колебания или вращательные движения. В жидком состоянии липидные «хвосты» имеют большую свободу, особенно велика их подвижность в середине мембраны.

Молекулы липидов жидкой мембраны могут находиться в в двух конформациях: в полностью транс- конформации и в гош-транс-гош-конформации. В гель-состоянии реализуется только транс-конформация. Длина молекулы в гош-конформации меньше, чем в транс-, а ширина, наоборот, больше. Этим объясняется уменьшение толщины и увеличение площади мембраны, приходящейся на один липид, при переходе из гель- в золь-состояние. Способность липидов жидкокристаллической мембраны переходить в гош-конформации способствует повышению её проницаемости для некоторых гидрофильных низкомолекулярных соединений. Если два соседних участка рядом расположенных молекул находятся в гош-конформации, то образуется так называемый кинк. Кинки способны перемещаться вдоль липидных «хвостов». Если небольшая молекула, окажется между двумя кинками, то она сможет пересечь гидрофобный слой.

В последнее время доказано, что при фазовых переходах из золь-состояния в гель- и обратно в мембранах образуются поры диаметром 2-6 нм. То есть при фазовом переходе увеличивается проницаемость мембраны для ионов и низкомолекулярных соединений. Так, проведение нервного импульса определяется изменением проницаемости мембраны для некоторых ионов. Существует предположение, что механизмы терморецепции, также определяются фазовым переходом в мембранах рецепторов. И ещё, так как фазовый переход может иметь и химическую природу (например, липиды мембраны могут перейти в гель-состояние вследствие увеличения концентрации ионов кальция в межклеточной жидкости), то, возможно, эти процессы определяют и хеморецепцию.

Фазовый переход в мембранах происходит не мгновенно, а на протяжении некоторого температурного интервала. Температурой фазового перехода называется та температура, при которой одна половина мембранных липидов находится в золь-состоянии, а другая половина в гель-состоянии. Температура фазового перехода зависит от липидного состава мембран: чем больше в «хвостах» липидов двойных связей (а их число в одном «хвосте» может колебаться от 0 до 4), то есть чем больше степень ненасыщенности жирнокислотных остатков, тем ниже температура фазового перехода. Для мембран, состоящих из насыщенных липидов, эта величина составляет +60С, а для мембран, состоящих из ненасыщенных липидов, - снижается до -20 С. Такая разница в температурах плавления объясняется тем, что ненасыщенные жирные кислоты, находящиеся в цис-конформации, способствуют удалению друг от друга молекул липидов, и, следовательно, уменьшают силы сцепления между ними. Чем слабее связь между молекулами, тем ниже температура перехода мембран в жидкую фазу.

Живые организмы, обитающие в разных климатических условиях, имеют различное соотношение насыщенных и ненасыщенных связей в молекулах липидов, что обеспечивает им приспособление к холоду или жаре в зависимости от среды обитания. Более того, это соотношение меняется для разных участков тела одного и того же организма. Например, температура ноги возле копыта полярного оленя может составлять -20С, а температура ноги возле туловища достигает +30С. Однако клеточные мембраны не претерпевают фазовый переход за счет того, что мембраны клеток возле копыта содержат больше ненасыщенных липидов, а возле туловища – больше насыщенных. Известно, что животные жиры при комнатной температуре обычно находятся в твердом состоянии, а растительные, наоборот, - в жидком. Это объясняется тем, что в животных клетках меньше ненасыщенных липидов, чем в растительных.

Фазовые переходы мембранных липидов носят кооперативный характер, то есть чем большее количество липидов совершило фазовый переход, тем легче это будет сделать остальным. В идеале, если на каком-либо участке одна молекула липида перешла из твердой фазы в жидкокристаллическую, то за этим сразу же последует фазовый переход всех липидов этого участка (закон «всё или ничего»). Такой участок называется кооперативной единицей, а число молекул, входящих в него, - размером кооперативной единицы n. Для липидных мембран n может достигать нескольких десятков. Величина n тем больше, чем более однороден химический состав мембран. Для уменьшения однообразия липидного состава мембраны животных клеток содержат большое количество холестерина. Например, в эритроцитах млекопитающих его удельная доля от всех липидов составляет 40 - 60%. Такое количество холестерина значительно уменьшает размер кооперативной единицы и снижает различия между твердой и жидкой фазами.

Транспорт веществ через биологические мембраны. Большинство процессов жизнедеятельности, таких, как всасывание, выделение, проведение нервного импульса, мышечное сокращение, синтез АТФ, поддержание постоянства ионного состава и содержания воды связано с переносом веществ через мембраны. Этот процесс в биологических системах получил название транспорта.

Если перенос вещества происходит с уменьшением электрохимического потенциала, то есть не требует затрат энергии, то такой транспорт называется пассивным. Его разновидностями являются диффузия (перемещение веществ в сторону меньшей концентрации) и фильтрация (просачивание веществ поры в сторону меньших значений давления). С помощью диффузии в клетку проникают растворенные молекулы кислорода и углекислого газа, а также яды и лекарственные препараты. Примером фильтрации в организме является перенос воды через стенки кровеносных сосудов, выдавливание плазмы крови в почечные канальцы.

Транспорт веществ через липидный бислой с помощью простой диффузии совершается с малой скоростью, особенно в случае заряженных частиц, и почти не контролируется. Поэтому в процессе эволюции для некоторых веществ появились специфические мембранные каналы и мембранные переносчики, которые способствуют повышению скорости переноса и, кроме того, осуществляют селективный транспорт. Пассивный транспорт веществ с помощью переносчиков называется

следующая страница >>