Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 10. Структура, физико-химические свойства и функции биологических мембран

10. Структура, физико-химические свойства и функции биологических мембран. Латеральная диффузия в билипидном слое. Твердокристаллическая и жидкокристаллическая фазы в мембранах. Роль холестерина.

1. Строение и свойства клеточных мембран

Каждая клетка окружена оболочкой - мембраной толщиной около 10 нанометров (10 5-8 0 м или 0,01 микрометра). Это намного меньше минимального разрешаемого расстояния светового микроскопа, поэтому до появления электронных микроскопов о структуре мембран ничего не было известно. Сейчас, однако, она изучена довольно хорошо. Главная часть мембраны -  двойной фосфолипидный слой. . Молекулы фоcфолипидов состоят из  гилрофильной  (обладающей сродством к воде)головки , в состав которой входит фосфатная группа, и двух гидрофобных хвостов  (жирных кислот), имеющих сродство к жирам. В водной среде молекулы таких веществ самопроизвольно выстраиваются в виде двойногослоя, в котором головки обращены наружу, то есть к воде, а а хвосты друг к другу; при этом направления всех молекул параллельны. Такой билипидный слой  и является основой клеточных мембран.Кроме фосфолипидов, в состав мембраны обязательно входят  белки .

По их расположению белки делят на три группы. Одни белки  встроены в сам билипидный слой; их называют  интегральными белками. . Другая группа белков находится  на внутренней поверхности липидного слоя; это, в основном, ферменты. . Эффективность ферментов, закреплённых на мембране, намного выше, чем просто растворённых в цитоплазме; это, в частности, объясняется тем, что белки на мембране располагаются не случайным образом, а в строгом порядке, соответствующем порядку катализируемых ими биохимических реакций. Наконец, белки, находящиеся  на внешней поверхности мембраны,  выполняют, в основном, рецепторные ьфункции , то есть передают в клетку информацию о состоянии окружающей клетку среды. В частности, рецепторные белки играют очнь важную роль в иммунитете при их активном участии происходит синтез  антител .; велика роль этих белков и в развитии аллергических реакций. . В состав рецепторных белков входят  полисахариды , поэтому эти белки называют гликопротеидами  (гликоссахар,  греч ).Кроме мембраны, окружающей клетку, (её называют цитоплазматической мембраной), внутри клетки находится много внутренних мембран, которые делят клетку на большое число отсеков (компартментов). В принципе их структура аналогична структуре цитоплазматической мембраны, хотя имеются и специфические отличия.

Латеральная диффузия. Жидкокристаллическая и твёрдокристалличекая фазы

Билипидный слой отличается строго упорядоченным расположением фосфолипидных молекул, поэтому можно сказать, что мембрана - это  кристаллическая структура. Однако, в отличие от обычных кристаллов,молекулы в мембране могут  достаточно интенсивно перемещаться вдоль своего слоя . Дело в том, что в каждом слое мембраны имеются  незанятые (вакантные)  места .Соседняя с таким вакантным местом молекула фосфолипида может,  сохраняя свою ориентацию, переместиться на свободную позицию;то место, на котором она находилась, займёт новая молекула и т.д. В результате,  при сохранении общей упорядоченности (кристалличности) мембраны составляющие её молекулы будут весьма интенсивно двигаться в плоскости слоя. Расчёт показывает, что в среднем каждая фосфолипидная молекула перемещается с места на место около 10 57 0 раз в секунду. Вслед за фосфолипидными молекулами в движение, хотя и в меньшей степени, вовлекаются и молекулы белков. Такая подвижность молекул в мембране называется  латеральной диффузией .  Она играет важную роль в процессах транспорта.В принципе возможно перемещение молекулы  и из одного слоя в другой , но это связано с переворотом молекулы фосфолипида на 180 ,для чего надо преодолеть высокий потенциальный барьер. Поэтому подобный процесс очень мало вероятен и не имеет практического значения. С малойвероятностью перехода молекул из одного слоя в другой связана  асимметрия  мембран: внутренний и наружный слои мембран заметно отличаются по своим свойствам. Сочетание  упорядоченной структуры  (как в кристаллах) и высокой подвижности  молекул  (как в жидкостях)  характерно не только для мембран, но и для некоторых органических соединений, которые называют  жидкими кристаллами .. Клеточные мембраны тоже можно отнести к жидким кристаллам. Однако, вся мембрана не может быть жидкокристаллической – это снизило бы её прочность, нарушило бы правильное расположение ферментов и т.п. Поэтому в мембранах сочетаются  жидкокристаллическая и твёрдокристаллическая фазы  В последней вакантных мест очень мало, и подвижность молекул незначительна. Соотношение между фазами зависит от типа клетки и её функционального состояния.На подвижность фосфолипидных молекул большое влияние оказывает входящий в состав мембран холестерин . Молекулы холестерина увеличивают жёсткость мембраны, . ограничивая латеральную диффузию. Поэтому повышенное содержание холестерина в организме ведёт не только к нарушению кровообращения (из-за отложения холестерина в сосудах), но и к другимрасстройствам, связанным с нарушением функции мембран.

Функции биологических мембран

1.  Механическая  функция - поддержание целостности и автономности клеток.

2.  Транспортная  функция - избирательный перенос необходимых для жизнедеятельности клетки веществ в клетку и продуктов метаболизма из клетки.

3.  Барьерная функция  - полная или частичная защита клетки от проникновния в неё вредных веществ.

4.  Матричная  функция. Биологические мембраны служат основой для размещения ферментов, рецепторных белков и других активных веществ, что обеспечивает наиболее выгодную пространственно-временную организацию биофизических и биохимических процессов.

5.  Биоэлектрическая  функция .  Именно мембраны обеспечивают все электрические процессы в клетках и в организме в целом.