Биомембраны. Структура и функциональная роль.
-
Функции и задачи биомембран.
-
Размеры, химический состав и строение биомембран.
-
Асимметрия биомембран.
-
Силы, стабилизирующие мембранные структуры.
-
Физическое строение биомембран.
-
Методы анализа структуры биомембран.
Функции и задачи биомембран.
Биомембраны выполняют двойную функцию:
-
Поддерживают целостность клетки, обособленность от окружающей среды, автономность внутреннего устройства.
-
Осуществляют постоянный обмен с окружающей средой (энергией, веществом, информацией).
Изучение биомембран важно для понимания жизнедеятельности организма в норме, для выяснения механизма патологии и для верного подхода к созданию комплекса врачебных мероприятий.
Задачи биомембран:
-
Транспорт веществ.
-
Обеспечение основных биоэнергетических процессов (синтез АТФ при окислении фосфолипидов, генерация биопотенциалов, распад АТФ при нервно-мышечной деятельности).
-
Участие во всех видах рецепции.
Различают клеточную (плазматическую) и внутриклеточные биомембраны.
Размеры, химический состав и строение биомембран.
Биомембраны – надмолекулярные структуры. Их толщина очень мала (10 нм). Они представляют собой двумерные структуры.
Химический состав: липиды (40%) и белки (60%) – количественное соотношение варьирует. Биомембраны, в большинстве своём, гетерогенны. Но есть и относительно простые биомембраны. Например, белковая часть внутриклеточных мембран палочек сетчатки содержит всего один белок – родопсин.
Структурной основой биомембран являются липиды, большую часть которых составляют фосфолипиды. Общая структура фосфолипида:
-
Остаток спирта (Х).
-
Углеводные цепочки, остатки высших жирных кислот (R1 и R2).
-
Спирт глицерин.
-
Остаток фосфорной кислоты.
О
||
ОН Р О Х
|
О
| Гидрофильная
СН2 СН СН2 часть
| |
О О
| |
С = О С = О
| |
R1 R2 Гидрофобная часть
Все фосфолипиды содержат полярную гидрофильную головку и два неполярных гидрофобных хвоста, следовательно, проявляют амфофильные свойства.
В 1972 году Зингер и Николсон предложили Мозаичную модель биомембран, популярную и по настоящее время. Согласно этой теории, структурной основой биомембран является двойной липидный слой, в котором гидрофобные хвосты обращены внутрь биомембран и образуют единую углеводородную фазу, а полярные головки находятся снаружи, по обе поверхности билипидного слоя. Схематически:
Этот билипидный слой инкрустирован молекулами белка, которые делят на периферические и интегральные.
Периферические белки – белки, которые целиком расположены на гидрофильной части слоя, т.е. только на поверхности мембран.
Интегральные белки – белки, имеющие участки гидрофобной поверхности, они погружены на различную глубину в билипидный слой. Некоторые белки пронизывают мембрану насквозь и называются прошивающими.
С учётом белкового компонента, схема примет вид:
- периферический белок
- интегральный белок
- прошивающий белок
Асимметрия биомембран.
Как белковый, так и липидный состав биомембран неодинаков. Фосфолипидные слои отличаются относительным содержанием компонентов, а расположение белков в зависимости от слоя имеет принципиальные, качественные отличия.
Например, в плазматических мембранах к внутренней стороне примыкает больше белков-ферментов, а к наружной – больше белков узнавания и оборонительных белков.
Сравним Мозаичную модель Зингера-Николсона с «Бутербродной» моделью Даниэли и Дайсона: принцип расположения липидов одинаковый. Однако в «Бутербродной» модели все белки – гидрофилы, а, следовательно, расположены только на поверхности мембраны, по обе стороны от билипидного слоя, т.е. возникает двусторонняя симметрия. Схема «Бутербродной» модели:
Силы, стабилизирующие мембранные структуры.
Различают следующие силы взаимодействия:
-
Сильные (ковалентные).
-
Слабые.
Отдельная сильная связь прочнее слабой; чтобы её разрушить, необходимо приложить больше энергии. Однако кооперативный вклад слабых взаимодействий зачастую равен вкладу сильных.
Целостность биомембран поддерживается слабыми связями, а определяющую роль играют гидрофобные взаимодействия между неполярными группировками в результате отталкивания молекул воды. В биомембране они возникают между хвостами липидов, а также между хвостами липидов и интегральными белками.
Полярные головки липидов связываются с периферическими белками электростатическими силами.
Физическое строение биомембран.
Физическое строение биомембран определяется свойствами билипидного слоя. А они – жидкостные. Доказательства:
1. Мембранные липиды не закреплены жёстко и постоянно меняются местами. Различают 2 вида перемещений:
-
латеральная диффузия – перемещение липидных молекул в пределах своего монослоя (в плоскости мембраны);
-
флип-флоп – перемещение из одного монослоя в другой.
Для молекул липидного слоя характерен коэффициент диффузии см2/с.
Латеральную диффузию могут совершать мембранные белки. В данном случае коэффициент будет зависеть от глубины погружения белка и вязкости среды. Для периферических белков см2/с, что соответствует вязкости оливкового масла.
2. Большинство мембранных липидов содержит двойные связи, т.е. являются ненасыщенными, с низкой температурой физиологического плавления.
3. Метод калориметрии. Микрокалориметрическими измерениями установлено, что при определённых условиях мембранно-фазовый переход соответствует плавлению липидов, т.е. температура плавления очень низка (нередко - отрицательна).
Однако мембраны не растекаются, а поддерживают объём клетки. Это становится возможным благодаря сложной пространственной структуре, напоминающей кристаллическую, характерную для твёрдых тел.
В биомембранах сочетается упорядоченность и подвижность, т.е. биомембраны находятся в жидко-кристаллическом состоянии, «белковые айсберги плавают в липидном море».
Часть белковых молекул закреплено на цитоплазматических структурах клетки микротрубочками и микрофиламентами, являющимися стабилизаторами клеточной поверхности.
Методы анализа структуры биомембран.
-
Электронная микроскопия.
-
Рентгенография.
-
Спектроскопия, магнитный резонанс:
-
ЯМР – ядерно-магнитно-резонансный метод.
-
ЭПР – электронно-парамагнитно-резонансный метод.
Флуоресцирующая спектроскопия.
БЛМ – искусственные мембраны.
В организме практически нет парамагнетиков и сильно флуоресцирующих веществ, следовательно, 3-ий и 4-ый методы используются в определённой модификации: в организм вводят парамагнитные или флуоресцирующие метки и зонды.
Метка – молекула, встраивающаяся в мембрану и удерживающаяся в ней ковалентными связями.
Зонд - молекула, встраивающаяся в мембрану и удерживающаяся в ней слабыми взаимодействиями.
С помощью меток удаётся установить структуру молекул и взаимную ориентацию их частей. А с помощью зондов можно также установить вязкость – физическое состояние окружения молекул.
Недостаток данных методов – они влияют на свойства объекта.
ЯМР позволяет установить структуру молекул, подвижность отдельных группировок в них. Применяется в клинической диагностике болезней, связанных с изменением структурного состояния органов и тканей (в т.ч. онкологических). Производится сканирование (послойный просмотр участка) – ЯМР-интраскопия.
Преимущества: не оказывает вредного воздействия на организм.
Искусственные липидные мембраны (БЛМ) – получают при контакте смеси липидов, растворённых в органике с водой. Различают плоские и сферические (везикулярные) искусственные мембраны. Они также имеют 2-х-слойное строение. Физические свойства БЛМ близки к свойствам биомембран (толщина, электроёмкость). Но БЛМ не обладают метаболической активностью, так как не имеют в своём составе белков. Применяются для изучения проницаемости и транспорта веществ.
Многослойные везикулярные мембраны (липосомы) – замкнутые частицы, образованные рядами концентрических билипидных слоёв, раздёлённых водным пространством. Толщина каждого билипидного слоя в 3-4 раза больше, чем у водной прослойки. Диаметр липосомы 5-50 мкм. Используются в терапии как капсулы для доставки лекарственных препаратов в органы и ткани (липосома + антитело – транспорт к ткани-антигену). Преимущества: нетоксичны, полностью усваиваемы, способны преодолевать ряд барьеров. Схема:
Биомембраны. Мембранный транспорт.
-
Проницаемость биомембран. Виды трансмембранного переноса веществ.
-
Пассивный мембранный транспорт: способы и математическое описание.
-
Молекулярные механизмы пассивного мембранного транспорта.
-
Активный мембранный транспорт. Характеристика бионасосов.
-
Молекулярная организация и этапы работы K-Na насоса.
-
Сопряжённый активный транспорт.
Проницаемость биомембран. Виды трансмембранного переноса веществ.
Проницаемость – свойство мембран пропускать различные вещества.
Селективность (избирательность) – различная проницаемость для разных соединений. У биомембран селективность высокая.
Существует два принципиально различных типа переноса вещества через мембрану:
-
Пассивный транспорт.
-
Активный транспорт.
Градиент – характеризует быстроту изменения параметра в пространстве (вдоль выбранного направления). Градиент – векторная характеристика. В биофизике принято градиент направлять от большего значения к меньшему. Пример: ГС – градиент концентраций, Г - градиент потенциала.
Свободная энергия F – характеризует способность системы совершать работу.
Виды химических реакций:
-
Эндергонические (энтропия понижается, энергия растёт) – образование пептидной связи при биосинтезе белка.
-
Экзергонические (энтропия увеличивается, энергия уменьшается) – гидролиз АТФ.
Пассивный транспорт – перемещение вещества по концентрационному и электрическому градиентам.
Характерные черты (критерии):
-
Работы против внешних сил не совершается, следовательно, энергия метаболических процессов не расходуется.
-
Градиенты уменьшаются, свободная энергия системы падает.
-
Возможен перенос вещества в обоих направлениях: как в клетку, так и из клетки.
-
Свойственен любым мембранам (как биологическим, так и искусственным, но селективность у биологических выше).
Активный транспорт – перенос против градиента, концентрационного или электрического.
Характерные черты (критерии):
-
Требует дополнительной затраты энергии (её поставляют экзергонические реакции).
-
Градиенты увеличиваются, свободная энергия возрастает.
-
Молекулярные системы характеризуются векторностью (строгой направленностью).
-
Свойственен лишь биомембранам.