Структура и свойства биологических мембран. Транспорт вещств в биологических мембранах

Биологическая мембрана - это структура, состоящая из органических молекул, которая имеет толщину  около 7-10нм и видима только посредством  электронного микроскопа. В каждой клетке есть плазматическая мембрана, которая ограничивает содержимое клетки от наружней среды, и внутренние мембраны, которые формируют различные органоиды клетки (митохондрии, органоиды, лизосомы и т.п.)

Плазматическая  мембрана выполняет несколько важных функций.

1) Образует избирательный  барьер, который отделяет содержимое  клетки от окружающей среды,  что позволяет поддерживать постоянными химический состав цитоплазмы и её физические свойства.

2) Регулирует транспорт  веществ между содержимым клетки  и окружающим клетку раствором.

3) Принимает участие  в информационных процессах в  живой клетке.

Химическая состав и структура плазматической мембраны

В состав плазматической мембраны входят липиды, белки и  углеводы. Соотношение между липидами и белками может значительно  варьировать в различных клетках.

Липиды мембраны бывают трех видов: глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды и стероиды (холестерол).

Молекула глицерофосфолипида состоит из остатка трёхатомного спирта глицерола, атомы водорода двух гидроксильных групп которого замещены на две длинные цепи жирных кислот. Третий атом водорода гидроксильной группы глицерина замещён остатком фосфорной кислоты, к которому, в свою очередь, присоединён остаток одного из азотистых оснований (холин, этаноламин, серин, инозитол).

В молекуле глицерофосфолипида можно выделить две части, которые называются головка (остаток глицерина, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание) и хвостики (остатки жирных кислот). Головка и хвостики сильно отличаются по своим физическим свойствам. Головка молекулы фосфолипида гидрофильна (″любит воду″). Она хорошо растворима в воде. Хвостики - гидрофобны (″боятся воды″). Они легко растворяются в липидах и органических растворителях, но водой отталкиваются. Таким образом, в целом молекула фосфолипида, содержащая как водорастворимые, так и липидорастворимые области, имеет амфифильные свойства.

Молекулы сфингофосфолипидов также состоят из головки и хвостиков. Они отличаются из фосфолипидов тем, что вместо остатка глицерина содержат остаток спирта сфингозина.

Если сухие фосфолипиды  погружают в воду, они спонтанно  формируют в зависимости от их концентрации различные структуры (Рис. 1). Одна из них - сферическая структура, называемая мицеллой. Молекулы фосфолипидов упорядочены так, что гидрофильные головки направлены в водную среду, а гидрофобные хвосты - внутрь структуры.

При более высокой  концентрации фосфолипидов, их молекулы формируют бислойные пластинчатые структуры. Немецкие ученые Gorter и Grendel доказали, что такая бислойная фосфолипидная структура является основой мембраны клетки.

Рис. 1. Мицелла и  бислойная пластина в водном растворе

Физическое состояние  фосфолипидного бислоя зависит от температуры. Если температура превышает критическую точку, бислой представляет собой жидкость. При этом каждая молекула имеют возможность перемещаться.

Существует несколько  видов движения молекул липидов: колебание, вращение, латеральная диффузия (перемещение молекул в пределах своего слоя), флип-флоп (перемещение молекул из одного слоя липидов в другой, происходит редко).

Если температура  падает ниже критической точки, мембранные фосфолипиды становятся твердыми. Мембрана теряет текучесть, и движение молекул в ней ограничивается.

Согласно современной  жидкостно-мозаичной модели мембраны (модель Сингера и Николсона), липидный бислой является основой мембраны. Молекулы фосфолипидов расположены в нём так, что их длинные оси параллельны и ориентированы перпендикулярно к поверхности мембраны. Мембрана сохраняется в жидком состоянии благодаря температуре клетки и химическому составу жирных кислот.

Белки мембраны подразделены на два вида. Молекулы первого типа являются гидрофильными. Эти белки, называемые периферическими, соединены  с поверхностью мембраны сравнительно слабыми электростатическими силами. Белки второго вида имеют как  гидрофильные, так и гидрофобные  группы. Их молекулы более или менее  погружены в мембрану, и удерживаются в ней более прочными гидрофобными силами. Некоторые белки пронизывают мембрану от ёё внутренней до внешней поверхностей - интегральные белки (Рис. 2).

Многочисленные  белки мембраны выполняют различные  функции (метаболическую, транспортную, рецепторную и т.п.). Функции белков мембраны существенно зависят от строения их молекул.

Рис. 2. Жидкостно-мозаичная  модель мембраны: фосфолипидный бислой; периферические и интегральные белки.

Классификация процессов транспорта в биологических  мембранах

Мембрана клетки является избирательным барьером для  различных веществ, находящихся  внутри и снаружи клетки. Существует несколько специфических механизмов транспорта в мембранах. Все он могут  быть подразделены на два типа: пассивный  и активный транспорт.

Все виды пассивного транспорта основаны на принципе диффузии. Небольшая частица, растворённая в  жидкости, постоянно подвергается ударам со стороны окружающих её молекул  жидкости. Результатом этого является хаотическое движение частицы, которое  называется броуновским движением. Диффузия является результатом хаотических  независимых движений многих частиц. Если концентрация вещества одинаковая в каждой части раствора, то движение частиц хаотично. При этом существует дрейф частиц из областей, где они  расположены более плотно, в области, где частиц меньше.

Диффузия незаряженных частиц вызывается их концентрационным градиентом и направлена в сторону  уменьшения этого градиента. Частицы  вещества перемещаются из области более  высокой концентрации вещества в  области, где концентрация этого  вещества низкая. Диффузия постепенно уменьшает градиент концентрации до тех пор, пока не наступит состояние  равновесия. При этом в каждой точке  установится равная концентрация, и  диффузия в обоих направлениях будет  осуществляться в равной степени. Диффузия является пассивным транспортом, поскольку  не требует затрат внешней энергии.

Существует несколько  видов диффузии в плазматической мембране:

1) Свободная диффузия.

2) Облегченная диффузия  неэлектролитов.

3) Электродиффузия  (облегченная диффузия ионов).

Раствор вещества высокой  концентрации обладает более высокой  свободной энергией, чем раствор  вещества более низкой концентрации. В процессе диффузии энергия рассеивается. Напротив, вещество не может переместиться  из области низкой его концентрации в область высокой его концентрации за счёт внутренней энергии. Для этого  необходима дополнительная энергия  из внешнего источника.

Для того, чтобы перемещать вещества против их концентрационного или электрохимического градиентов, мембрана использует энергию метаболизма. Такой тип транспорта называется активным транспортом. Есть два основных вида активного транспорта:

1) Первично-активный  транспорт.

2) Вторично-активный  транспорт.

Более сложные механизмы  транспорта - экзоцитоз и эндоцитоз, в ходе которых макромолекулы поступают в клетку или выделяются из неё через небольшие, окружённые мембраной везикулы.

Свободная диффузия

Вещества, перемещающиеся через мембрану путём свободной  диффузии, не образуют каких-либо химических связей с другими веществами.

Для количественной характеристики диффузии используют физическую величину - поток вещества (J) : J = dn/dt · 1/S (1),

где n - количество вещества в молях, перемещающихся посредством  диффузии через поверхность S, перпендикулярную потоку вещества, за единицу времени.

Первый закон  Фика указывает, что поток вещества, перемещаемого путём диффузии, пропорционален движущей силе диффузии - градиенту концентрации вещества: J = - D · dC/dx (2).

Отрицательный знак означает, что поток направлен  из области высокой концентрации вещества в область с более  его низкой концентрацией, в результате чего градиент концентрации уменьшается. D - коэффициент диффузии, который  зависит от природы вещества и  температуры:

D = U·R·T (3),

где U - подвижность  частиц вещества, R - универсальная газовая  постоянная, T - абсолютная температура.

Если диффузия осуществляется через мембрану, уравнение (2) может  быть представлено как J = -P · (C1 - C2) (4),

где C1 и C2 - концентрация раствора внутри и вне клетки, P - коэффициент проницаемости мембраны для данного вещества. Коэффициент  проницаемости определяется коэффициентом  диффузии D вещества, толщиной мембраны d и коэффициентом распределения  вещества K, зависящим от растворимости  вещества в органических растворителях, но не воде.

P = Dk/d (5)

Проницаемость мембраны для неэлектролитов существенно зависит от их способности растворяться в билипидном слое мембраны. Проницаемость мембраны для различных веществ определяют по растворимости в оливковом масле, которую можно рассматривать как модель мембранных липидов. Таким образом, мембрана хорошо проницаема для липидорастворимых веществ (спирты, эфиры), не имеющих биологического значения. Но такие гидрофильные вещества как сахара, аминокислоты не способны проникать через биологическую мембрану посредством свободной диффузии. Для этого требуются специальные системы транспорта (смотри ниже).

Проницаемость мембраны зависит также от размера молекул. Мелкие молекулы могут проникать  через мембрану путём свободной  диффузии. Например, вода не растворима в липидах и органических растворителях. Но она проникает через плазматическую мембрану благодаря небольшому размеру  молекул. Проницаемость мембраны для  воды очень высокая. Предполагают, что  она проникает в мембрану через  временные структурные дефекты, формирующихся при тепловых колебаниях хвостиков из жирных кислот. Эти  дефекты (кинки) позволяют перемещаться через мембрану не только молекулам воды, но также другим небольшим гидрофильным молекулам (кислород, углекислый газ).

Облегченная диффузия

Крупные гидрофильные молекулы (сахара, аминокислоты) перемещаются через мембраны с помощью специальных  молекул - мембранных переносчиков. Мембранные переносчики представляют собой  интегральные белки, которые имеют  центры связывания транспортируемых молекул. Образующаяся связь белка и переносчика  является обратимой и обладает высокой  степенью специфичности. Транспортируемая молекула проходит через мембрану вследствие изменения конформации белка-переносчика при химическом взаимодействии центров связывания обеих молекул.

Транспорт веществ  через мембрану, в котором используются транспортные молекулы, называются облегчённой  диффузией. Этот тип транспорта мембраны является одним из видов диффузии, поскольку транспортируемое вещество перемещается по градиенту концентрации. Никакая дополнительная энергия не требуется для этого процесса. Но облегченная диффузия отличается от свободной диффузии своей высокой специфичностью. Переносчики мембраны могут узнавать даже оптические изомеры одного и того же вещества.

Другой особенностью облегченной диффузии является феномен  насыщения. Поток вещества, транспортируемого  путём облегченной диффузии, растёт в зависимости от концентрации вещества только до определенной величины. Затем  возрастание потока прекращается, поскольку  транспортная система полностью  занята. Таким образом, действие транспортной системы подобное катализу ферментами, однако переносчик не ускоряет химическую реакцию, а перемещает вещество через  мембрану.

Существуют некоторые  системы переносчиков, которые способны транспортировать более одного вещества. Процесс называется симпортом (или котранспортом), если вещества перемещаются в одном и том же направлении, и антипортом (встречным транспортом), если направления перемещения веществ противоположны.

Примером облегченной  диффузии является действие системы  транспорта глюкозы через мембраны эритроцитов и мышечных клеток. Другой пример - антипорт бикарбоната и  ионов гидроксила в плазматической мембране эритроцитов.

Электродиффузия

Электродиффузия - диффузия электрически заряженных частиц (ионов) под влиянием концентрационных и электрических градиентов. Ионы - атомы или группы атомов, которые  приобретают электрический заряд, теряя или приобретая электроны. Липидный бислой мембраны непроницаем для ионов. Они могут проникнуть через плазматическую мембрану только посредством специальных структур - ионных каналов, которые образованы интегральными белками.

Движущей силой  диффузии является не только разность концентрации ионов внутри и вне клетки, но также разность электрических потенциалов, создаваемых этими ионами по обе стороны мембраны. Следовательно, диффузионный поток ионов определяется градиентом электрохимического потенциала (электрохимический градиент).

Электрохимический потенциал является энергией ионов:

 

 

μ0- стандартный  химический потенциал, который зависит  от химической природы вещества и  температуры, R - универсальная газовая  постоянная, T - температура, C - концентрация иона, z - электрический заряд, F - константа  Фарадея, φ - электрический потенциал.

Зависимость потока ионов J от электрохимического градиента  определяется уравнением Теорелла:

 

 

где U - подвижность  ионов, C - концентрация ионов, dμ/dx - электрохимический градиент.

Подставляя (6) в (7), можно получить уравнение Нернста-Планка с учётом двух градиентов, которые  обуславливают диффузию ионов:

 

 

Ионные каналы мембраны представляют собой интегральные белки  мембраны, которые образуют отверстия  в мембране, заполненные водой. В  плазматической мембране обнаружен  ряд ионных каналов, которые характеризуются  высокой специфичностью, допускающей  перемещение только одного вида ионов. Существуют натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные каналы. Каждый из них  имеет так называемый селективный  фильтр, который способен пропускать только определённые ионы. Существует несколько теорий, объясняющих избирательность  ионных каналов плазматической мембраны.