биофизика мембран укр

1.Рання історія мембранології.

2.Досліди Гортера-Гренделя.

3.Історичні моделі організації біомембран. Модель Даніелі-Давсона.

4.Сучасні моделі організації біомембран: а) рідинно-мозаїчна; б) миготлива;

в) метаморфно-мозаїчна; г) молекулярно-механічна.

5.Явище асиметрії мембран.

1.Умови існування живих клітин.

2.Основні функції біологічних мембран.

3.Призначення клітинних мембран.

1.Ліпідний склад біомембран (специфічність фосфоліпідного складу біомембран).

2.Функції мембранних ліпідів.

3.Характеристика ліпідних молекул. Амфіфільність.

4.Будова ліпідів мембран:

а) хімічна структура молекули фосфоліпіду; б) полярні групи фосфоліпідів.

5.Переміщення молекул ліпідів у мембрані.

6.Гіпотеза петлі (кінку). Конфігурації вуглеводневих ланцюгів.

1.Історія відкриття рідких кристалів (РК).

2.Молекулярна будова та структура РК.

3.Класифікація РК: а) нематичні; б) смектичні; в) холестеричні.

4.Властивості РК: а) термотропні; б) ліотропні.

5.Поліморфізм ліпідів.

6.Водно-ліпідні суміші.

3

1.Зміна властивостей мембрани за фазового переходу.

2.Фізіологічна роль фазового переходу «рідина-тверде тіло» у мембранах.

3.Фазовий перехід і пластичність біомембран (кривизна, розриви).

4.Метод диференційної сканувальної мікрокалориметрії: криві теплоємності та плавлення.

5.Температура фазового переходу.

6.Методи вимірювання кривих плавлення: а) аналіз кривих ДСК; б) вимірювання флуоресценції зондів.

7.Фазова рівновага.

8.Кооперативність фазових переходів.

9.Кінетика фазового переходу.

10.Термодинамічні параметри фазових переходів.

11.Теорії фазового переходу.

1.Ліпідні пори і стабільність мембран.

2.Модель ліпідної пори.

3.Ліпідні пори і проникність мембран.

4.Мембранні пори, які створюються екзогенними агентами.

1.Моношари. Моношар на межі поділу вода-повітря.

2.Бішарові ліпідні мембрани (БЛМ).

3.Ліпосоми – модель дослідження біомембран.

4.Властивості штучних мембран, їх використання.

5.Визначення провідності та ємності БЛМ.

6.Штучні БЛМ – модель для дослідження іонної проникності клітинних мембран.

1.Злиття біомембран при екзоцитозі.

2.Злиття БЛМ.

3.Механізм напівзлиття.

4.Модель сталків.

5.Молекулярна геометрія ліпідів.

1.Методи при виділенні біомембран.

2.Критерії чистоти мембранних фракцій.

3.Солюбілізація ліпідів.

4.Мембранні білки: структура та функції.

5.Методи солюбілізації мембранних білків.

6.Детергенти (класифікація, приклади).

7.Взаємодія детергента з мембраною.

8.Методи дослідження білків мембран.

Орієнтовний навчально-тематичний план лекцій дисципліни «Біофізика мембран»

5

Тема №1. «Історичний огляд становлення мембранології»

Положення про те, що плазматична мембрана, яка оточує клітину, є певною структурою, було усвідомлене ще в середині ХІХ ст.

Мембрана – оболонка, перепонка, шкірка. Біологічні мембрани (клітинні, або плазматичні) – структури, які відмежовують (відокремлюють) клітини та внутрішньоклітинні органоїди (мембрани мітохондрій, хлоропластів, лізосом, ендоплазматичного ретикулуму та ін.). Склад мембран: містять ліпіди, білки, вуглеводи, різні макромолекули, а також у невеликих кількостях коферменти, нуклеїнові кислоти, неорганічні іони та ін.

40-і рр. ХІХ ст. – Дюбуа-Реймон повідомив, що між внутрішньою та зовнішньою поверхнями шкіри жаби існує різниця електричних потенціалів.

1851 р. – фон Моль описав плазмоліз клітин рослин.

1855 р. – фон Негелі пояснив осмотичні властивості клітин наявністю у них напівпроникних клітинних мембран. Фік встановив закон дифузії.

1877 р. – Пфеффер опублікував свою працю «Дослідження осмосу», де постулював існування клітинних мембран, порівнював клітини з осмометрами, які мають штучні напівпроникні мембрани.

80-і рр. ХІХ ст. – де Фріз продовжив осмометричні дослідження рослинних клітин. Його дослідження слугували фундаментом при створенні фізикохімічної теорії осмотичного тиску та електролітичної дисоціації Вант Гоффом

та Арреніусом.

1888 р. – Нернст отримав рівняння для рівноважного потенціалу мембрани.

1890 р. – Оствальд висловив припущення про можливу роль мембран у біоелектричних процесах.

Овертон виміряв проникність мембрани для значної кількості різних сполук, виявив залежність між розчинністю цих сполук у ліпідах та здатністю речовин проникати крізь мембрани. Звернув увагу на існування кореляції між швидкістю, з якою невеликі молекули проникають всередину рослинної клітини, та коефіцієнтом їх розподілу між олією і водою. Зробив висновок про ліпідну природу біомембран.

Існування клітинних мембран пізніше було підтверджене у дослідах Хебера, який встановив, що непошкоджені еритроцити мають високий електричний опір.

Подальші дослідження Чамберса, Міхаеліса, Бойля, Конвея та Діна

сприяли відкриттю активного транспорту, вивченню розподілу іонів та вибіркової проникності, тобто створенню та розвитку біологічної мембранології.

Більшість Нобелівських премій того періоду були присуджені за наукові роботи, які, так чи інакше, були пов’язані з дослідженням біомембран. Наприклад, за вивчення слухових базилярних мембран (Дж. Бекеші, 1961 р., отоларингологія), електричного потенціалу при збудженні та іонних струмів (А.Я. Ходжкін та ін., 1963 р., нейрофізіологія), мембранних ліпідів (Ф. Лайнен,

6

1964 р., біоенергетика), мембран зорових клітин (Дж. Уолд, 1967 р., офтальмологія), синаптичних мембран та передачі хімічного сигналу (Дж. Аксельрод та ін., 1970 р., молекулярна фармакологія), мембранних рецепторів гормонів та вторинних месенджерів (Е.У. Сазерленд, 1971 р., біохімія), структури мембранних систем (Дж.Е. Пелед та ін., 1974 р., електронна мікроскопія), лізосом (К.Р. Де Дюв, 1974 р., клітинна патологія) тощо.

Перша модель будови біологічних мембран запропонована у 1902 році. Овертон, як вже зазначалось вище, помітив, що через мембрани найкраще проникають речовини, які добре розчинні в ліпідах, і на основі цього зробив висновок, що біологічні мембрани складаються з тонкого шару фосфоліпідів. Насправді, на межі поділу полярного та неполярного середовищ (наприклад, води і повітря) молекули фосфоліпідів утворюють мономолекулярний шар. Їхні полярні частини занурені у полярне середовище, а неполярні – зорієнтовані в бік неполярного середовища. Тому можна припустити, що біологічні мембрани побудовані з моношарів ліпідів.

У 1925 р. Гортер і Грендел виявили, що площа моношару ліпідів, екстрагованих з мембран еритроцитів, вдвічі більша сумарної площі еритроцитів. Вони виділяли ліпіди з гемолізованих еритроцитів ацетоном, потім випарювали розчин на поверхні води і вимірювали площу мономолекулярної плівки ліпідів, яка при цьому утворилась. На основі отриманих результатів було зроблено припущення, що ліпіди у мембрані розміщуються у вигляді бімолекулярного шару. Коул і Кертіс (1935 р.) при вивченні електричних параметрів біологічних мембран встановили їх високий електричний опір RМ≈107 Ом м2 та значну питому електроємність Сп≈0,5 10-2 Ф/м2. Провідникові пластини конденсатора утворюють електроліти зовнішнього і внутрішнього розчину (позаклітинного та цитоплазми). Провідники розділені ліпідним бішаром. Ліпіди – діелектрики з діелектричною проникністю ε=2. Ємність плоского конденсатора визначається за формулою

C = εε0 S ,

l

де ε0=8,85 10-12 Ф/м – електрична стала, S – площа пластини конденсатора, l – відстань між пластинами конденсатора. Ємність на одиницю площі (питома ємність):

Cп = εε0 . l

За цією формулою можна оцінити відстань між пластинами конденсатора, яка відповідає у нашому випадку товщині ліпідної мембрани:

Отримане значення співпадає за порядком з величиною товщини неполярної частини двомолекулярного шару ліпідів.

Разом з тим, існували експериментальні дані, які свідчили, що у складі біологічної мембрани присутні білкові молекули. Наприклад, при вимірюванні поверхневого натягу клітинних мембран було встановлено, що значення коефіцієнта поверхневого натягу істотно ближче до коефіцієнту поверхневого

7

натягу на межі поділу вода-білок (0,1 дін/см), ніж на межі поділу ліпід-вода (близько 10 дін/см). Це протиріччя експериментальних результатів було усунене Даніелі та Давсоном, які в 1935 р. запропонували так звану «бутербродну» модель будови біологічної мембрани (рис. 1.1). Ця модель з деякими несуттєвими змінами була загальноприйнятою в мембранології протягом 40 років. Згідно з нею, мембрана – тришарова структура: вона утворена двома розміщеними по краям шарами білкових молекул, з ліпідним бішаром посередині. Побачити та сфотографувати мембрану вдалося лише в 40-і рр. ХХ ст. при застосуванні електронного мікроскопа.

зовнішняповерхня

ліпідний шар

внутрішня поверхня

Рис. 1.1. Модель структурної організації біомембрани за Даніелі-Давсоном.

Розглянемо історичні моделі будови мембрани.

1935 р. – Даніелі та Давсон сформулювали гіпотезу про подвійність ліпідного шару, який визначає будову плазматичної мембрани.

1964 р. – Робертсон ввів положення про асиметричність в будові біомембрани.

1966 р. – Ленард та Сингер запропонували рідинно-мозаїчну модель структури біомембрани.

1970 р. – Вандеркой та Грін запропонували білково-кристалічну модель структури бішарової мембрани. Наявність у мембрані жорстокої білкової структури обумовлена дальнодіючими білок-білковими взаємодіями.

Сучасні моделі. Рідинно-мозаїчна модель. Сукупність результатів,

отриманих фізико-хімічними методами досліджень, сприяли появі нової моделі будови біологічних мембран – рідинно-мозаїчної (Сингер і Нікольсон, 1972 р.) (рис. 1.2).

Структурну основу біологічної мембрани складає подвійний шар ліпідів (плинний фосфоліпідний бішар, у який занурені білки), інкрустований білками, подібно мозаїці. Розрізняють поверхневі (або периферичні) та інтегральні білки. За фізіологічних умов ліпіди знаходяться у рідкому агрегатному стані. Це дозволяє порівняти мембрану з фосфоліпідним «морем», в якому плавають білкові «айсберги». Рідинно-мозаїчна модель будови мембрани є сьогодні загальноприйнятою. Проте, не всі білки вільно дифундують у рідкому ліпідному бішарі. Деякі ділянки мембран відрізняються за своєю структурою від класичного ліпідного бішару внаслідок ліпідного поліморфізму. В межах однієї мембрани можуть знаходитися ділянки з різним ліпідним складом і функціями. Вважають, що така складна динамічна структура біомембран, для

8

якої характерні викривлення, фазові переходи, різна товщина, утворення небішарових структур, визначається взаємодією мембранних білків з ліпідами.

Рис. 1.2. Модель структурної організації біомембрани за Сингером-Нікольсоном.

Ці взаємодії багато в чому забезпечують ефективне виконання мембранами різноманітних клітинних функцій. Як наслідок, існують різні моделі організації мембрани, які ми розглянемо далі.

Миготлива модель молекулярної організації біомембрани. Рідинно-

мозаїчна модель не дозволила пояснити дані, отримані у результаті вивчення ролі ліпідів у передачі сигналів біорегуляторних речовин, зв’язування лікувальних і токсичних сполук, співвідношення між плазматичною мембраною, цитоскелетом, глікокаліксом і позаклітинним простором. У зв’язку з цим на основі нових експериментальних даних було запропоновано миготливу модель молекулярної організації біомембран [13], яка є модифікацією рідинно-мозаїчної моделі. Основна її особливість полягає у тому, що ліпідний матрикс мембрани є не двовимірним, а тривимірним «розчинником» для мембранних білків. Поверхня мембрани має вигляд не мозаїки, коли всі білки локалізовані на поверхні, а наче «ряботиння», коли одні і ті ж молекули білків частково (або повністю) поперемінно локалізовані то на рівні усередненої поверхні ліпідного матриксу, то вище чи нижче цього рівня.

Метаморфно-мозаїчна модель як ілюстрація динамічних властивостей біомембран. Метаморфно-мозаїчна модель (рис. 1.3) включає такі процеси:

1.трансмембранне перенесення полярних молекул та іонів (Са2+ та ін.), яке пов’язане з виникненням проміжних утворень типу обернених міцел;

2.взаємодію мембран між собою;

3.злиття мембран та екзоцитоз;

4.трансмембранне перенесення білка;

5.компартменталізацію у мембранних системах;

6.утворення пор у мембрані.

Молекулярно-механічна модель будови та функціонування біологічних мембран. Ця модель дозволяє описати вплив ліпідів на структуру і функціонування мембранних білків, її порушення під дією сторонніх агентів. В рамках цієї моделі стає зрозумілою необхідність «рідкої» ліпідної фази, роль ліпідів у передачі міжмолекулярної і трансмембранної інформації та ін.

9

Рис. 1.3. Метаморфно-мозаїчна модель організації біомембрани (пояснення 1-6 в тексті) [6].

У представленій моделі [14] замість параметра мікров'язкості (плинності) мембрани вводиться інший фізичний параметр – латеральний поверхневий тиск мембрани (термін «латеральний» підкреслює той факт, що тиск діє у напрямку, паралельному до поверхні мембрани). Латеральний поверхневий тиск відображає щільність упаковки молекул у мембрані: чим він менший, тобто чим нижча щільність упаковки молекул, тим менша мікров'язкість середовища.

Для плазматичної мембрани характерне явище асиметрії, за якими розподіл та склад ліпідів на цитоплазматичній поверхні мембрани відрізняються від розподілу та складу на екстраклітинній поверхні.

Явище асиметрії мембран необхідне для забезпечення:

-підтримання вихідної форми клітин;

-фіксації білкової орієнтації, що сприяє максимальному прояву активності (фермент, канал);

-розпізнання антигенів;

-регуляції в’язкості плазматичної мембрани;

-процесу виведення старих клітин.

Асиметрія структури мембрани (~анізотропія мембран) – це залежність властивостей (структурних, механічних, оптичних, електричних та ін.) мембрани від способу їх формування.

Розглядають кілька загальних факторів, які регулюють стан плазматичної мембрани. До них відносять склад жирних кислот, вміст холестеролу, контакт плазматичної мембрани з цитоскелетом, дію температури, детергентів, анестетиків, гормонів тощо.

Рекомендована література:

1. Антонов В.Ф. Биофизика мембран // Сорос. образов. журн. – 1996. – №6. – С. 4-12.

10

2.Антонов В.Ф., Черныш А.М., Пасечник В.И., Вознесенский С.А., Козлова Е.К. Биофизика: учеб. – М.: Владос, 2003. – 288 с. (глава 1. Биологические мембраны, §2. Структура биологических мембран, стр. 9-16).

3.Брик Т.М. Енциклопедія мембран: у 2 т. – К.: Вид. дім «Києво-Могилянська академія», 2005. – Т.1. – 658 с. (стор. 33-34, 509-514 та 560-564).

4.Ващенко О.В. Фізичні властивості рідкокристалічних моделей біомембран: автореф. дис... канд. фіз.-мат. наук: 03.00.02; Харк. нац. ун-т ім. В.Н. Каразіна. –

Х., 2001. – 19 с.

5.Геннис Р. Биомембраны: Молекулярная структура и функции. – М.: Мир, 1997. – 624 с. (глава 1. Введение: структура и состав биологических мембран, §1.2. Исторический очерк, стр. 9-18).

6.Гринштейн С.В., Кост О.А. Структурно-функциональные особенности мембранных белков // Успехи биол. химии. – 2001. – №41. – С. 77-104.

7.Зима В.Л. Біофізика: Збірник задач: навч. посіб. – К.: Вища школа, 2001. – 124 с.

8.Камкин А.Г., Киселева И.С. Физиология и молекулярная биология мембран клеток: уч. пособие. – М.: Изд. центр «Академия», 2008. – 592 с. (1.1. Формирование теории молекулярной организации биологических мембран, стр. 6- 10).

9.Костюк П.Г., Зима В.Л., Магура И.С., Мірошниченко М. С., Шуба М.Ф. Біофізика: підруч. – К.: Обереги, 2001. – 544 с. (розділ 7. Клітинні мембрани, §7.4. Рідинномозаїчна структура мембран, стор. 220-224).

10.Остапченко Л.І., Михайлик І.В. Біологічні мембрани: методи дослідження структури і функцій: навч. посіб. – К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2006. – 215 с. (розділ 1. Особливості структури клітинних мембран та методи їх вивчення, §1. Загальна характеристика структури біологічних мембран, стор. 7-13).

11.Рубин А.Б. Биофизика: учеб. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2004. – Т.2 (Биофизика клеточных процессов). – 470 с. (глава ХV. Молекулярная организация биологических мембран, §1. Состав и строение биологических мембран, стр. 6-10).

12.Рыбальченко В.К., Коганов М.М. Структура и функции мембран: Практикум. – К.: «Вища школа», 1988. – 312 с. (глава І. Основные теоретические сведения о структуре клеток, §1.3. Представления о структуре биологических мембран, стр. 35-40).

13.Рибальченко В.К., Берегова Т.В., Рибальченко Т.В. Цитофізіологія травлення: навч. посіб. – К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2004.

– 244 с. (§1.1. Будова клітини, стор. 9-45).

14.Семенов С.Н. Молекулярно-механическая модель строения и функционирования биологических мембран. [Електронний ресурс] // Режим доступу: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6013.html. – 2003.

15.Шуба М.Ф., Давидовська Т.Л., Прилуцький Ю.І., Жолос О.В., Богуцька К.І. Електробіофізика. – К.: Фітосоціоцентр, 2002. – 152 с. (стор. 4-18).

Контрольні запитання для засвоєння матеріалу:

1.Історичні моделі структури біомембран.

2.Сучасні моделі будови біомембран.

3.Явище асиметрії мембран.

Задачі.