6.1.2. Динамические свойства мембран

При фазовом переходе жидкий кристалл → гель в липидном бислое образуются сквозные каналы радиусом (1  3) нм, по которым могут переноситься ионы. Вследствие этого при фазовом переходе резко увеличивается ионная проводимость мембран. Поэтому возможно, что нервный импульс, возникающий при изменении температуры, образуется за счет изменения ионной проницаемости бислоя при фазовом переходе части липидов.

Нормальные клетки на разных стадиях своей жизнедеятельности имеют разное состояние мембраны, переходя из упорядоченного гель-состояния в жидкокристаллическое и обратно. В отличие от них мембрана раковой клетки всегда находится в жидкокристаллическом состоянии. Мембрана опухолевой клетки не может переходить в упорядоченное состояние.

Отдельные компоненты мембран могут изменять свое взаимное расположение, перемещаться в мембране на значительные расстояния, покидать мембрану или внедряться в нее в ходе различных метаболических процессов. Динамические свойства мембран обусловлены текучестью липидного бислоя, гидрофобная область которого в жидкокристаллическом состоянии имеет микровязкость, сравнимую с вязкостью машинного масла.

Молекулы липидов в бислое обладают высокой подвижностью и могут совершать разнообразные движения: поступательные, вращательные, колебательные. В подвижность липидов значительный вклад вносят внутримолекулярные движения углеводородных цепей, обусловленные их высокой конформационной подвижностью – поворотами смежных звеньев вокруг одинарных С–С ковалентных связей.

Подвижность цепей возрастает в направлении к середине бислоя и становится максимальной в области концевых метальных групп. Довольно высокой подвижностью обладают также полярные головки липидных молекул. В результате этого в углеводородных цепях постоянно возникают изгибы и изломы, вызывающие появление в бислое дефектов упаковки, называемых «кинки» (от англ. kink – перекручивание, свертывание) и «джогги» (от англ. jog – встряска, толчок), а также малых пор с гидрофобными стенками. Поры быстро захлопываются, так как их самопроизвольному росту препятствуют силы поверхностного натяжения на границе раздела фаз: гидрофильная поверхность липидного слоя и вода. Однако, с определенной вероятностью гидрофобные поры могут превращаться в гидрофильные (рис. 6–3) в результате переориентации липидных молекул. Гидрофильные поры стабилизируются при заполнении их молекулами воды.

Рис. 6–3. Образование заполненных водой гидрофобных и гидрофильных пор в мембране клетки

Кроме движений отдельных участков липидных молекул относительно друг друга в жидкокристаллическом бислое происходит также движение молекул, как целого. Оно включает аксиальное вращение молекул вокруг их длинных осей с частотами (10⁷  10⁸) с^–1, маятниковые колебания молекул относительно равновесных положений в бислое, перемещения молекул вдоль бислоя (латеральная диффузия) и перескоки молекул с одной стороны бислоя на другую (флип–флоп перескоки). Коэффициент латеральной диффузии достаточно мал: порядка 10^–8 см²с^–1, однако достаточно одной секунды, чтобы молекула мигрировала с одного конца клетки к другому. Еще более медленно совершаются флип-флоп перескоки. Время таких перескоков колеблется от нескольких минут до нескольких часов и зависит от участия в этом процессе определенных интегральных белков, осуществляющих перенос липидных молекул через мембрану.

Иммобилизация (закрепление) липидов в определенных участках бислоя может происходить в результате латерального фазового разделения, приводящего к образованию гель-фазы, или при их взаимодействии с белками.

В «фосфолипидном озере» «плавают» разнообразные по химическому составу белки. Одни белки пронизывают мембрану от ее наружной до внутренней поверхности, другие – находятся в одном из слоев. Белковые молекулы обычно ориентированы так, что их гидрофобные группы погружены в липидную мембрану, а полярные гидрофильные находятся на поверхности мембраны и погружены в водную среду.

Мембраны содержат два обширных класса белков, слабо и прочно (за счет водородных связей) связанных с мембранными липидами. Белки, находящиеся внутри липидного слоя мембраны и сильно связанные с ним, называются интегральными белками. Предполагается, что интегральные белки окружены пограничным слоем липидных молекул, подвижность которых ограничена. Содержание белка по массе варьируется от 25% до 75% в различных мембранах. Однако, поскольку белковые молекулы намного массивнее липидных, то при 50%-ной концентрации белка по массе одна молекула белка приходится приблизительно на 50 молекул липида.

О внутримолекулярной динамике белков известно значительно меньше. Известно лишь, что многие мембранные белки могут легко диффундировать вдоль мембраны и обладают достаточно высокой вращательной диффузией, хотя она приблизительно на порядок ниже, чем у липидных молекул. Времена вращательной релаксации для интегральных белков варьируется в пределах от 20 до 500 мкс, а коэффициент их латеральной диффузии (вдоль бислоя) составляет (710^–9  10^–12) см²с^–1.

Быстрая диффузия белков имеет место только в жидкокристаллическом бислое. В гель-фазе белки практически иммобилизованы (связаны и не мигрируют). Важными причинами иммобилизации интегральных белков в мембране может быть их ассоциация с образованием крупных агрегатов (возможно также двумерных кристаллических структур) или же взаимодействие с периферическими белками в цитоплазме, связанными с элементами цитоскелета клетки.

Функционально мембранные белки разделяются на четыре группы: ферментативные, транспортные, регуляторные и опорно-структурные.