Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Биофизические основы живых систем. Учебное пособие
.pdf
Отсюда можно найти расстояние между пластинами
конденсатора, соответствующее толщине липидной части мембраны:
. (1.3)
Это как раз соответствует по порядку величины толщине
неполярной части бимолекулярного слоя липидов, сложенных
определенным образом.
В 1931 г. Дж.Ф. Даниэли предложил модель «сэндвича», или
унитарную мембранную модель. Согласно этой модели – мембрана –
трехслойная. По его представлению, белки покрывают обе
поверхности липидного бислоя, связываясь с ним
электростатическими силами, образуется нечто вроде бутерброда:
липиды, наподобие масла, между двумя «ломтями» белка.
Робертсон несколько модифицировал модель Даниэли (1964),
предположив, что глобулярные белки находятся на внешней стороне
мембраны, а фибриллярные – на внутренней. С термодинамической
точки зрения маловероятно, что белок может успешно конкурировать
с водой за полярные головки липидных молекул и что слой белка смог
бы экранировать их от водного окружения.
Современные методы исследования окончательно опровергли
«бутербродную модель» мембраны.
На сегодняшний день общепризнанной является «жидкостномозаичная модель» мембраны, предложенная в 1972 г. С. Сингером и
Г. Николсоном. Согласно их исследованиям структурную основу
биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов,
инкрустированный белками (рис. 1.2).
Различают поверхностные (или периферические) и интегральные
белки. Интегральные белки являются, как правило, гидрофобными и
легко встраиваются в липидный бислой. Периферические белки
обладают меньшей глубиной проникновения в липидный бислой и,
соответственно, более слабо взаимодействуют с липидами мембраны,
оказывая на них гораздо меньшее воздействие, чем интегральные.
По характеру взаимодействия с мембраной белки делятся на
монотопические, битопические, политопические:
11
- монотопические белки взаимодействуют с поверхностью мембраны
(моно – одним из слоев липидов);
- битопические пронизывают мембрану насквозь (би – двумя слоями
липидов);
- политопические пронизывают мембрану несколько раз (поли –
многократное взаимодействие с липидами).
Рис. 1.2. Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны
Первые относятся к периферическим белкам, а вторые и третьи
– интегральным.
Белки мембран можно также классифицировать по выполняемой
ими функции. В связи с этим выделяют следующие белки:
- структурные белки;
- белки-ферменты;
- белки-рецепторы;
- транспортные белки.
Особую группу составляют белки цитоскелета клетки. Строго
говоря, эти белки не являются компонентами мембраны, примыкая к
ней с цитоплазматической стороны. Белки цитоскелета входят в
состав всех его компонентов: миофиламенты содержат молекулы
белка актина; в состав микротрубочек входит белок тубулин,
промежуточные филаменты также содержат более полиморфный
12
белковый комплекс. Цитоскелет не только обеспечивает эластичность
мембраны, противостоит изменениям объема клетки, но, повидимому, участвует и в различных внутри- и внеклеточных
механизмах регуляции.
Липиды находятся при физиологических условиях в жидком
агрегатном состоянии. Это позволяет сравнить мембрану с
фосфолипидным морем, по которому плавают белковые «айсберги».
Полярные головы молекул фосфолипидов – гидрофильны, а их
неполярные хвосты – гидрофобны. В смеси фосфолипидов с водой
термодинамически выгодно, чтобы полярные головы были погружены
в состоящую из полярных молекул воду, а их неполярные хвосты
были бы расположены подальше от воды. Такое расположение
амфифильных (имеющих и гидрофильную и гидрофобную части)
молекул соответствует наименьшему значению энергии Гиббса по
сравнению с другими возможными расположениями молекул.
Молекулы фосфолипидов имеют два хвоста. Такая молекула имеет
форму, близкую к цилиндру (рис 1.3).
Рис. 1.3. Схематичное изображение «двухвостовой» фосфолипидной
молекулы (а) и схема образования бислойной мембраны из
таких молекул (б)
Из молекул фосфолипидов в водной среде происходит
самосборка бислойной мембраны.
Мембрана является лабильной структурой, все ее компоненты
имеют возможность осуществлять различные формы подвижности –
латеральную диффузию, вращательные движении, «флип-флоп»
переходы и др.
Жидкостно-мозаичная модель дает наиболее адекватные
представления о структурной организации поверхностной мембраны и
многих внутриклеточных мембран.
13
1.1.4 Динамика мембран
Подвижность фосфолипидных молекул в мембранах
Режим функционирования мембраны сильно зависит от:
микровязкости липидного бислоя и подвижности фосфолипидных
молекул в мембране, фазового состояния мембранных липидов.
Отклонения биофизических характеристик липидного бислоя от
нормы связано с разного рода патологиями. Важную роль в
физиологии клетки играют фазовые переходы в биологических
мембранах.
Липидная фаза биологических мембран при физиологических
условиях (температуре, давлении, химическом составе окружающей
среды) находится в жидком агрегатном состоянии. Это доказано
методами флюоресцентного анализа (с использованием
флюоресцентных зондов и меток), электронного парамагнитного
резонанса (ЭПР), с использованием спиновых зондов и меток, и
ядерного магнитного резонанса (ЯМР).
Флюоресцентные, ЭПР- и ЯМР- исследования показали, что
подвижность фосфолипидных молекул в мембране сравнительно
велика, а вязкость мала. В нормальных физиологических условиях
липидная часть мембраны находится в жидком агрегатном состоянии.
Вязкость липидной мембраны η= (30-100) мПа·с сравнима с вязкостью
подсолнечного масла (для сравнения: вязкость воды при 200 С
составляет 1 мПа·с).
Высокая подвижность липидных молекул обуславливает
латеральную (боковую) диффузию – это хаотическое тепловое
перемещение молекул липидов и белков в плоскости мембраны. При
латеральной диффузии рядом расположенные молекулы липидов
скачком меняются местами и вследствие таких последовательных
перескоков из одного места в другое молекула перемещается вдоль
поверхности мембраны. Среднее квадратичное перемещение Sкв
молекул при диффузии за время t можно оценить по формуле
Эйнштейна:
. (1.4)
Зная Sкв, можно найти значение коэффициента латеральной диффузии
D.
14
Перемещение молекул по поверхности мембраны клетки за
время t проведено экспериментально методом флюоресцентных меток
– флюоресцирующих молекулярных групп.
Оказалось, что среднее квадратичное перемещение за секунду
фосфолипидной молекулы по поверхности мембраны эритроцита
составило около 5 мкм, что сравнимо с размерами клеток. Таким
образом, за секунду молекула может обежать всю поверхность
небольшой клетки. Обнаруженное среднее квадратичное перемещение
белковых молекул составило около 0,2 мкм за секунду.
Рассчитанные по формуле Эйнштейна коэффициенты
латеральной диффузии для липидов D
лип
= 6·10
-12 м2
/с, для белков –
Dб=10–14 м2/с.
Частота перескоков (число перескоков в секунду) молекулы с
одного места на друге может быть найдено по формуле:
, (1.5)
где f – площадь, занимаемая одной молекулой на мембране.
Для молекул фосфолипидов Dлип= 6·10
-12 м2
/с, f=7·10
-19 м2
. Для
этих значений частота перескоков ν= 3·10 7 с-1. Каждая молекула в
среднем претерпевает десятки миллионов перестановок в плоскости
мембраны за секунду, т.е. характерное время для одного перескока
τ=10-7 – 10-8 с.
Флип-флоп – это диффузия молекул мембранных фосфолипидов
поперек мембраны.
Скорость перескоков молекул с одной поверхности мембраны
на другую (флип-флоп) определена методом спиновых меток в опытах
на модельных липидных мембранах – липосомах.
Перескоки молекул с одной поверхности бислоя на другой
совершаются значительно медленнее, чем перескоки при латеральной
диффузии. Среднее время, через которое фосфолипидная молекула
совершает флип-флоп (Т~1 час), в десятки миллиардов раз больше
среднего времени, характерного для перескока молекулы из одного
места в соседнее в плоскости мембраны.
Сочетание быстрой диффузии молекул вдоль мембраны и очень
медленной диффузии поперек мембраны имеет большое значение для
функционирования мембран, а именно для матричной функции
15
мембраны. Благодаря затрудненному переходу поперек мембраны
аморфная
фаза
нематическая
фаза
смектическая
фаза
холестическая
фаза
поддерживается упорядоченность в молекулярной структуре
мембраны, ее анизотропия, асимметрия (относительно плоскости
мембраны) расположения липидных и белковых молекул,
определенная ориентация белков-ферментов поперек мембраны. Это
имеет большое значение для направленного переноса веществ через
мембрану.
1.1.5 Физическое состояние и фазовые переходы липидов в
мембранах
Вещество при разных температурах, давлениях, концентрациях
химических компонентов может находиться в различных физических
состояниях – газообразном, жидком, твердом, плазменном.
Липидные бислойные мембраны при физиологических условиях
– жидкие, время оседлой жизни фосфолипидных молекул в мембране
мало: τ=10-7 – 10-8с.
Вместе с тем молекулы в мембране размещены не
беспорядочно, в их расположении наблюдается дальний порядок.
Фосфолипидные молекулы находятся в двойном слое, а их
гидрофобные хвосты приблизительно параллельны друг другу. Есть
порядок и в ориентации полярных гидрофильных голов.
Физическое состояние, при котором есть дальний порядок во
взаимной ориентации и расположении молекул, но агрегатное
состояние жидкое, называется жидкокристаллическим состоянием.
а в веществах из «длинных молекул» (поперечные размеры которых
Рис. 1.4. Расположение молекул в аморфном (а) и
жидкокристаллическом состояниях (б, в, г)
Жидкие кристаллы могут образовываться не во всех веществах,
16
меньше продольных). Могут быть различные жидкокристаллические
структуры (рис. 1.4, б, в, г):
- нематическая (нитевидная) – когда длинные молекулы
ориентированы параллельно друг другу;
- смектическая (мылообразная) – молекулы параллельны друг другу и
располагаются слоями;
- холестическая – молекулы располагаются параллельно друг другу в
одной плоскости, но в разных плоскостях ориентации молекул разные
(повернуты на некоторый угол в одной плоскости относительно
другой).
Бислойная липидная фаза биологических мембран соответствует
смектическому жидкокристаллическому состоянию.
Жидкокристаллические структуры очень чувствительны к
изменению температуры, давления, химического состава,
электрическому полю. Это определяет динамичность липидных
бислойных мембран – изменение их структуры при различных, даже
небольших изменениях внешних условий или химического состава.
При изменении условий вещество может перейти в другое фазовое
состояние (например, из газообразного в жидкое, из жидкого в
твердое, из одной кристаллической модификации в другую). Как
показано физическими методами исследования (методом
рентгеноструктурного анализа, калориметрией, дилатометрией и др.)
липидная часть биологических мембран при определенных
температурах испытывает фазовый переход первого рода. Согласно
данным, в фосфолипидной мембране при понижении температуры
происходит переход из жидкокристаллического в гель состояние,
которое условно называют твердокристаллическим (рис. 1.5).
В гель – состоянии молекулы расположены еще более
упорядочено, чем в жидкокристаллическом. Все гидрофобные
углеводородные хвосты фосфолипидных молекул в гель – фазе
полностью вытянуты строго параллельно друг другу (имеют
полностью транс – конформацию). В жидком кристалле за счет
теплового движения возможны транс – гош – переходы, хвосты
молекул изгибаются, их параллельность друг другу в отдельных
местах нарушается, особенно сильно в середине мембраны.
Толщина мембраны в гель – фазе поэтому больше, чем в
жидком кристалле (см. рис. 1.5). Однако при переходе из твердого в
жидкокристаллическое состояние объем несколько увеличивается,
17
потому что значительно увеличивается площадь мембраны,
приходящаяся на одну молекулу (от 0,48 нм2 до 0,58 нм2). Так как в
твердокристаллическом больше порядок, чем в жидком кристалле,
ему соответствует меньшая энтропия.
Рис. 1.5. Изменение структуры мембраны при переходе из
жидкокристаллического в гель-состояние и обратно при изменении
температуры
Для нормального функционирования мембрана должна быть в
жидкокристаллическом состоянии. Поэтому в живых системах при
продолжительном понижении температуры окружающей среды
наблюдается адаптационное изменение химического состава мембран,
обеспечивающее понижение температуры фазового перехода.
Температура фазового перехода понижается при увеличении
числа ненасыщенных связей в жирно-кислотных хвостах. В хвосте
молекулы может быть до четырех ненасыщенных связей.
В зависимости от химического состава липидных мембран
температуры фазового перехода гель – жидкий кристалл может
меняться от –200С (для мембраны из ненасыщенных липидов) до
+600С (для насыщенных молекул).
18
1.1.6 Модельные липидные мембраны
Липосомы, или фосфолипидные везикулы (пузырьки), получают
обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при
впрыскивании раствора липидов в воду. При этом происходит
самосборка бимолекулярной липидной мембраны. Минимуму энергии
Гиббса отвечает замкнутая сферическая одноламеллярная форма
мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся
внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными
молекулами воды (рис. 1.6). Однако чаще получаются несферические
многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких
бимолекулярных слоев, - многослойные липосомы.
Рис. 1.6. Схема строения однослойной липосомы
Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы
отделены водной средой. Толщина липидных слоев составляет, в
зависимости от природы липидов, 6,5 – 7,5 нм, а расстояние между
ними – 1,5 – 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется в
пределах от 60 до 400 нм и более.
Однослойные липосомы можно получить различными
методами, например из суспензии многослойных липосом, если
обработать их ультразвуком. Диаметр однослойных липосом,
полученных этим методом, составляет 25 – 30 нм. Разработаны и
другие методы получения однослойных липосом, в том числе
диаметром 400 нм и более.
Липосомы представляют собой в некотором роде прообраз
клетки. Они служат для исследования различных свойств клеточных
мембран.
Плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) – другой тип
модельных мембран. Такие мембраны получают на маленьких
19
отверстиях диаметром около 1 мм в пластинке из пластика (например,
фторопласта), погруженной в водную среду. На отверстие наносят
каплю раствора липида (в спирте, хлороформе, гептане или других
растворителях). Растворитель диффундирует из раствора в воду, и на
отверстии остается пленка липида. Эта пленка спонтанно утончается
до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной около
6 нм. Лишний липид собирается в виде ободка – торуса у краев
отверстия (рис.1.7).
Рис. 1.7. Образование плоской бислойной липидной мембраны
Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко
используются в качестве моделей для изучения электрических свойств
мембраны, их проницаемости и других научных исследований. С
помощью модельных мембран изучают ряд функций биологических
мембран, в том числе, барьерную (например, селективность
проницаемости – хорошую проницаемость для воды и плохую для
ионов). Можно моделировать биологический транспорт, вводя в
модельную мембрану молекулы-переносчики.
Задачи к практическим занятиям
1. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, изме-
ренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5
мФ/см2. По формуле плоского конденсатора оценить толщину
гидрофобного слоя мембраны с диэлектрической проницаемостью 2.
2. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]