Строение и физические свойства биологических мембран. Модели мембран

При многих видах  патологий, а также при воздействии  биологически активных соединений вязкость мембран изменяется.

Чем выше подвижность  хвостов фосфолипидов, тем меньше вязкость мембран, и тем лучше  их проницаемость для диффундирующих веществ. Поэтому вязкость бислоя очень важна для всей функциональной деятельности ферментов, находящихся в липидном слое и других.

Вязкость мембраны сильно зависит от агрегатного состояния  бислоя (жидкое и твердое), то есть от температуры.

Рассматривая  жидкостно-мозаичную модель мембран, надо всегда иметь в виду, что отдельные молекулы липидного бислоя не “сидят” на одном месте, а непрерывно меняются местами, перемещаясь вдоль слоя, то есть вдоль мембраны с внушительной скоростью в 5 мкм/с. Участвуют в этом движении и белки. Это явление хаотического перемещения молекул липидов и белков вдоль поверхности мембраны называется латеральной (lateral - боковой) диффузией. Скорость латеральной диффузии белков значительно меньше, чем у липидов, кроме того, часть пронизывающих мембрану белков оказывается “заякоренной” на внутриклеточные белки и в латеральной диффузии не участвуют.

Мембранные  белки и липиды помимо поступательного  движения участвуют и во вращательном движении, или, как говорят, - во вращательной диффузии. При этом угловая скорость вращения белков и липидов весьма велика. Например, при нормальных температурах она составляет:

- для фосфолипидов - 109 рад/с;

- -для родопсина  - 106 рад/с;

- для цитохромоксидазы - 104 рад/с.

Ассиметрия  мембран проявляется в том, что внутренние и наружные по отношению к клетке стороны любой биологической мембраны всегда имеют разный липидный и белковый состав. Молекулы углеводов располагаются только на внешней стороне мембраны. Ассиметричная ориентация ферментативных и транспортных белков в мембране приводит к наличию преимущественно направления активного транспорта веществ через мембрану, что играет исключительно важную роль для функционирования клетки в целом.

 

2. Физические свойства биологических мембран.

2.1 Пассивный и активный транспорт веществ через мембранные структуры.

Различают активный и пассивный перенос (транспорт) нейтральных молекул и ионов  через биомембраны. Активный транспорт - происходит при затрате энергии  за счет гидролиза АТФ или переноса протона по дыхательной цепи митохондрий. Пассивный транспорт не связан с затратой клеткой химической энергии: он осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрохимического потенциала. Примером активного транспорта может служить перенос ионов калия и натрия через цитоплазматические мембраны К - внутрь клетки, а Na - из нее, перенос кальция через саркоплазматического ретикулума скелетных и сердечных мышц внутрь везикул ретикулума, перенос ионов водорода через мембраны митохондрий из матрикса - наружу: все эти процессы происходят за счет энергии гидролиза АТФ и осуществляются особыми ферментами - транспортными АТФ-фазами. Наиболее известный пример пассивного транспорта - это движение ионов и калия через цитоплазматическую мембрану нервных волокон при распространении потенциала действия.

Пассивный перенос веществ  через биомембраны. Диффузия незаряженных молекул

Принято различать следующие  типы пассивного переноса веществ (включая  ионы) через мембраны:

1. Простая диффузия

2. Перенос через поры (каналы)

3. Транспорт с помощью переносчиков за счет:

а) диффузии переносчика  вместе с веществом в мембране (подвижный переносчик);

б) эстафетной передачи вещества от одной молекулы переносчика к  другой, молекулы переносчика образуют временную цепочку поперек мембраны.

Перенос по механизму 2 и 3 называют иногда облегченной диффузией.

 

2.2 Транспорт неэлектролитов путем простой и облегченной диффузии.

Всякая живая  клетка окружена мембраной, которая  служит для защиты и регуляции  внутренней среды. Мембрана действует  как дискриминирующее устройство, позволяющее питательным и другим необходимым веществам входить внутрь клетки, а продуктам обмена удаляться наружу.

Белки мембран  выполняют функции трех типов: поддерживают общую структурную целостность мембран; действуют как ферменты, например, при синтезе молекул АТФ в митохондриальных мембранах или в различных стадиях фотосинтеза в мембране хлоропласта; кроме того, они служат переносчиками ионов и молекул через мембраны.

Различные вещества переносятся через мембраны по двум основным механизмам: путем диффузии (пассивного транспорта) и путем активного транспорта. Проницаемость мембран для различных растворенных веществ зависит от размеров и заряда этих молекул. Поскольку внутренняя область мембран состоит из углеводородных цепей, многие малые нейтральные и неполярные молекулы могут проходить через бимолекулярную мембрану путем обычной диффузии. Иначе можно сказать, что эти молекулы растворимы в мембране. Наиболее важное из этих веществ – глюкоза, которая переносится через мембраны только в комплексе с молекулой-переносчиком. В этой роли обычно выступает белок. Комплекс глюкозы с переносчиком легко растворяется в мембране и может поэтому диффундировать через мембрану. Такой процесс называется облегченной диффузией. Суммарная скорость транспорта глюкозы резко повышается в присутствии гормона инсулина. Пока не совсем ясно, состоит ли действие инсулина в повышении концентрации переносчика или этот гормон стимулирует образование комплекса между глюкозой и переносчиком.

Основным механизмом пассивного транспорта веществ, обусловленным  наличием концентрационного градиента, является диффузия.

Диффузия - это  самопроизвольный процесс проникновения  вещества из области большей в  область меньшей его концентрации в результате теплового хаотического движения молекул.

Математическое  описание процесса диффузии дар Рик. Согласно закона Рика, скорость диффузии  прямо пропорциональна градиенту концентрации  и площади S, через которую осуществляется диффузия:

 «D» называется коэффициентом диффузии. Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, диффундирующего в единицу времени через единицу площади при градиенте концентрации, равном единице. «D» зависит от природы вещества и от температуры. Он характеризует способность вещества к диффузии.

Так как концентрационный градиент клеточной мембраны определить трудно, то для описания диффузии веществ  через клеточные мембраны пользуются более простым уравнением, предложенным Коллеидером и Берлундом:

где С1 и С2 – концентрации вещества по разные стороны мембраны, Р - коэффициент проницаемости, аналогичный коэффициенту диффузии. В отличие от коэффициента диффузии, который зависит только от природы вещества и температуры, «Р» зависит еще и от свойств мембраны и от ее функционального состояния.

В соответствии с этим градиентом имеются следующие  виды пассивного транспорта веществ  в клетках и тканях: диффузия, осмос, электроосмос и аномальный осмос, фильтрация.

Большое значение для жизнедеятельности клеток имеет  явление сопряженного транспорта веществ и ионов, которое заключается в том, что перенос одного вещества (иона) против электрохимического потенциала («в гору») обусловлен одновременным переносом другого иона через мембрану в направлении снижения электрохимического потенциала («под гору»). Схематически это представлено на рисунке. Работу транспортных АТФ-аз и перенос протонов при работе дыхательной цепи митохондрий часто называют первичным активным транспортом, а сопряженный с ним перенос веществ – вторичным активным транспортом.

 

2.3 Диффузия. Пассивный перенос неэлектолитов через биомембраны, уравнение Рика.

Диффузия –  это процесс, который приводит к  самопроизвольному уменьшению градиентов концентраций в растворе, пока не установится  однородное распределение частиц. Процесс диффузии играет важную роль во многих химических и биологических системах. Именно диффузией, например, определяется в основном доступ двуокиси углерода к активным фотосинтетическим структурам в хлоропластах. Для понимания особенностей транспорта растворенных молекул через клеточные мембраны необходимы детальные сведения о диффузии. Рассмотрим некоторые основные принципы диффузии в растворах.

Представим  себе сосуд, в левой части которого находится чистый растворитель, а  в правой – раствор, приготовленный с тем же растворителем. Пусть сначала эти две части сосуда разделены плоской вертикальной стенкой. Если теперь убрать стенку, то вследствие беспорядочного движения молекул во всех направлениях граница между раствором и растворителем будет смещаться влево до тех пор, пока вся система не станет однородной. В 1855 году Рик, изучая диффузионные процессы, обнаружил, что скорость диффузии, то есть число молекул растворенного вещества «п», пересекающих вертикальную плоскость в единицу времени, прямо пропорционально площади сечения «S» и градиенту концентрации  . Таким образом,

где D – коэффициент  диффузии (измеряется в м2/с в «СИ»).

 

2.4 Молекулярный механизм активного транспорта ионов.

Известны четыре основных системы активного транспорта ионов в живой клетке, три из которых обеспечивают перенос ионов натрия, калия, кальция и протонов через биологические мембраны за счет энергии гидролиза АТФ в результате работы специальных ферментов переносчиков, которые называются транспортными АТФ-азами. Четвертый механизм - перенос протонов при работе дыхательной цепи митохондрий - пока изучен недостаточно. Наиболее сложно из транспортных АТФ-аз устроена Н+ - АТФ-аза, состоящая из нескольких субъединиц, самая простая – Са2+ АТФ-аза, состоящая из одной полипептидной цепи (субъединицы) с молекулярной массой около 100000. Рассмотрим механизм переноса ионов кальция этой АТФ-азой.

Первый этап работы Са2+ АТФ-зы - связывание субстратов: Са2+ и АТФ в комплексе с Мg2+ (Мg АТФ). Эти два лиганда присоединяются к различным центрам на поверхности молекулы фермента, обращенной наружу пузырька саркоплазматического ретикулума (СР).

Лиганд - малая  молекула (ион, гормон, лекарственный  препарат и др.).

Второй этап работы фермента - гидролиз АТФ. При  этом происходит образование энзим - фосфатного комплекса (Е-Р).

Третий этап работы фермента - переход центра связывания Са2+ на другую сторону мембраны - транслокация.

Высвобождение энергии макроэргической связи  происходит на четвертом этапе работы Са2+ АТФ-азы при гидролизе Е-Р. Эта энергия отнюдь не растрачивается вхолостую (т.е. не переходит в тепло), а используется на изменение константы связывания ионов кальция с ферментом. Перенос кальция с одной стороны мембраны на другую связан, таким образом, с затратой энергии, которая может составить 37,4 - 17,8 = 19,6 кДж/моль. Ясно, что энергия гидролиза АТФ хватает на перенос двух ионов кальция.

Перенос кальция  из области меньшей (1-4 х 10-3 М) в область  больших концентраций (1-10 х 10-3 М) - это  и есть та работа, которую совершает  Са - транспортная АТФаза в мышечных клетках.

Для повторения цикла требуется возвращение  кальций-связывающих центров изнутри  наружу, то есть еще одно конформационное  изменение а молекуле фермента.

Молекулярный  механизм работы этих двух "насосов" во многом близок. Основные этапы работы Na+ K+ АТФаз таковы:

1. Присоединение  снаружи двух ионов K+ и одной  молекулы Mg2+ АТФ:

2 Ko+ + Mg АTФ + E ® (2 K+)(Mg АТФ)E

2. Гидролиз АТФ  и образование энзим-фосфата:(2 K+ )(Mg АТФ)E ® Mg АТФ + (2 K+)E - P

3. Перенос центров  связывания K+ внутрь (транслокация 1):

(2 K+ )E - P ® E - P(2 K+ )

4. Отсоединение  обоих ионов калия и замена  этих ионов тремя ионами Na, находящимися  внутри клетки:

E - P(2 K+) + 3 Nai + ®  E - P(3 Na+ ) + 2 K+ i

5. Гидролиз E - P:

E - P(3 Na+ ) ® E(3 Na+ ) + P (фосфат)

6. Перенос центров связывания вместе с ионами Na+ наружу (транслокация 2): мембранный структура молекулярный диффузия

E(3 Na+ ) ® (3 Na+ )E

7. Отщепление 3 Na+ и присоединение 2 K+ снаружи:

2 K0+ + 3 Na+ (E) ®  3 Na+ + (2 K+ )E

Перенос 2 K+ внутрь клетки и выброс 3 Na+ наружу приводит в итоге к переносу одного положительного иона из цитоплазмы в окружающую среду, а это способствует появлению мембранного потенциала (со знаком "минус" внутри клетки).Таким образом, Na+ K+ насос является электрогенным.

 

2.5 Проницаемость.

Проницаемость - это способность клеток и тканей поглощать, выделять и транспортировать химические вещества, пропуская их через мембраны клеток, стенки сосудов  и клетки эпителия. Живые клетки и ткани находятся в состоянии  непрерывного обмена химическими веществами с окружающей средой, получая из нее продукты питания и выводя в нее продукты метаболизма. Основным диффузионным барьером на пути движения веществ является клеточная мембрана. В 1899 году Овертон обнаружил, что дегкость прохождения веществ через клеточную мембрану зависела от способности этих веществ растворяться в жирах. В то же время ряд полярных веществ проникал в клетки независимо от растворимости в жирах, что можно было объяснить существованием в мембранах водных пор.

В настоящее  время различают пассивную проницаемость, активный транспорт веществ и особые случаи проницаемости, связанные с фагоцитозом и пиноцитозом.

Основные виды диффузии - это диффузия веществ  путем растворения в липидах  мембраны, диффузия веществ через  полярные поры, диффузия ионов через незаряженные поры. Особыми видами диффузии являются облегченная и обменная. Она обеспечивается особыми жирорастворимыми веществами-переносчиками, которые способны связать переносимое вещество по одну сторону мембраны, диффундировать с ним через мембрану и освобождать по другую сторону мембраны. Роль специфических переносчиков иона выполняют некоторые антибиотики, получившие название ионофорных (валиномин, нигерицин, моненсин, поеновые антибиотики нистатин, аифотерицин В и ряд других). Ионофоры могут быть разделены в свою очередь на три класса в зависимости от заряда переносчика и структуры кольца: нейтральный переносчик с замкнутым ковалентной связью кольцом (валиномицин, нактины, полиэфиры), заряженный переносчик с кольцом, замкнутым водородной связью (нигерицин, монензин). Заряженные переносчики с трудом проникают в заряженной форме через модельные и биологические мембраны, в то же время в нейтральной форме они свободно диффундируют в мембране. Нейтральная форма образуется путем формирования комплекса анионной формы переносчика с катионом. Таким образом, заряженные переносчики способны обменивать катионы, находящиеся преимущественно по одну сторону мембраны на катионы расвора, омывающего противоположную сторону мембраны.