Биомембраны. Структура и функциональная роль.

1. Функции и задачи биомембран.

2. Размеры, химический состав и строение биомембран.

3. Асимметрия биомембран.

4. Силы, стабилизирующие мембранные структуры.

5. Физическое строение биомембран.

6. Методы анализа структуры биомембран.

Функции и задачи биомембран.

Биомембраны выполняют двойную функцию:

1. Поддерживают целостность клетки, обособленность от окружающей среды, автономность внутреннего устройства.

2. 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:

1. Транспорт веществ.

2. Обеспечение основных биоэнергетических процессов (синтез АТФ при окислении фосфолипидов, генерация биопотенциалов, распад АТФ при нервно-мышечной деятельности).

3. 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:

1. Остаток спирта (Х).

2. Углеводные цепочки, остатки высших жирных кислот (R₁ и R₂).

3. Спирт глицерин.

4. 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:

1. Сильные (ковалентные).

2. 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:

1. латеральная диффузия – перемещение липидных молекул в пределах своего монослоя (в плоскости мембраны);

2. 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.

1. Электронная микроскопия.

2. Рентгенография.

3. 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.

1. Проницаемость биомембран. Виды трансмембранного переноса веществ.

2. Пассивный мембранный транспорт: способы и математическое описание.

3. Молекулярные механизмы пассивного мембранного транспорта.

4. Активный мембранный транспорт. Характеристика бионасосов.

5. Молекулярная организация и этапы работы K-Na насоса.

6. 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:

1. Пассивный транспорт.

2. 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: Г_С – градиент концентраций, Г - градиент потенциала.

Свободная энергия F – характеризует способность системы совершать работу.

Виды химических реакций:

1. Эндергонические (энтропия понижается, энергия растёт) – образование пептидной связи при биосинтезе белка.

2. Экзергонические (энтропия увеличивается, энергия уменьшается) – гидролиз АТФ.

Пассивный транспорт – перемещение вещества по концентрационному и электрическому градиентам.

Характерные черты (критерии):

1. Работы против внешних сил не совершается, следовательно, энергия метаболических процессов не расходуется.

2. Градиенты уменьшаются, свободная энергия системы падает.

3. Возможен перенос вещества в обоих направлениях: как в клетку, так и из клетки.

4. Свойственен любым мембранам (как биологическим, так и искусственным, но селективность у биологических выше).

Активный транспорт – перенос против градиента, концентрационного или электрического.

Характерные черты (критерии):

1. Требует дополнительной затраты энергии (её поставляют экзергонические реакции).

2. Градиенты увеличиваются, свободная энергия возрастает.

3. Молекулярные системы характеризуются векторностью (строгой направленностью).

4. Свойственен лишь биомембранам.