1. Биологические мембраны, их основные функции. Физические характеристики биологических мембран (толщина, диэлектрическая проницаемость, электрическое сопротивление). Жидкостно-мозаичная модель мембраны.

Функции:

барьерная — обеспечивает селективный, регулируемый, пассив­ный и активный обмен веществом с окружающей средой (селективный - значит, избирательный: одни вещества переносятся че­рез биологическую мембрану, другие - нет; регулируемый - про­ницаемость мембраны для определенных веществ меняется в за­висимости от генома и функционального состояния клетки);

матричная - обеспечивает определенное взаимное располо­жение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оп­тимальное взаимодействие (например, оптимальное взаимодей­ствие мембранных ферментов);

механическая — обеспечивает прочность и автономность клет­ки, внутриклеточных структур.

Кроме того, биологические мембраны выполняют и другие функции: энергетическую - синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов; генерацию и проведение биопотенциалов; рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция - мембранные процес­сы) и многие другие функции. вы­сокое электрическое сопротивление =10⁷ Ом-м² и большая ем­кость = 0,5-10-² Ф/м².

Биологическую мембрану можно рассматривать как элект­рический конденсатор, в котором пластинами явля­ются электролиты наружного и внутреннего растворов (внекле­точного и цитоплазмы) с погруженными в них головами липидных молекул. Проводники разделены диэлектрическим слоем, образованным неполярной частью липидных молекул - двойным слоем их хвостов. Липиды - диэлектрики с диэлект­рической проницаемостью E = 2.

Емкость плоского конденсатора где электрическая постоянная £g= 8,85 • 10¹² Ф/м, d - рассто­яние между пластинами конденсатора, S - площадь пласти­ны.

Удельная емкость (на единицу площади) ,

отсюда толщина -

Структурную основу биологической мембраны образует двойной слой фосфолипидов, инкрустированный белками. Различают поверхностные (или периферические) и интег­ральные белки. Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии. При этом, соотношение количества белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаково.

2. Современные методы исследования биологических структур. Электронная микроскопия, предел разрешения электронного микроскопа. Рентгеноструктурный анализ, формула Вульфа - Брэггов.

Рентгеноструктурный анализ, электронно-микроскопические исследования, флуоресцентный анализ, электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс. Наибольшие успехи в раскрытии особенностей строения био­логических мембран были достигнуты в электронно-микроскопи­ческих исследованиях. В электронном микроскопе вместо светового пучка на иссле­дуемый объект направляется пучок электронов, разогнанных до больших скоростей.

Известно, что электронам с высокими скоростями тоже прису­щи волновые свойства, в том числе явление дифракции. Однако при достаточно больших скоростях, согласно формуле де Бройля, длина волны мала и соответственно мал предел разрешения. Так, если электроны ускоряются электрическим полем с напряжением 10⁵ В, их скорость достигает 10⁶ м/с, длина волны уменьшается, и предел разрешения составляет порядка 0,1 нм, что позволяет рас­смотреть отдельные детали строения биологических мембран.

В электронном микроскопе достигается увеличение в сотни тысяч раз, что дало возможность исследовать строение клет­ки, клеточных органелл и биологических мембран.

Недостатком электронной микроскопии является деформация живого объекта в процессе исследования. Перед началом электронно-микроскопических исследований клетка проходит через многие стадии предварительной обработки: обезвоживание, за­крепление, ультратонкий срез, обработка препаратов вещества­ми, хорошо рассеивающими электроны (например, золотом, се­ребром, осмием, марганцем и т.п.). При этом изучаемый объект значительно изменяется. Несмотря на это, успехи в изучении клетки при помощи электронного микроскопа несомненны.

Рентгеноструктурный анализ позволяет обнаруживать упорядоченность в распо­ложении атомов и определять параметры упорядоченных структур (например, расстояния между кристаллографически­ми плоскостями). Исследования дифракции рентгеновских лу­чей на мембране подтвердили относительно упорядоченное расположение липидных молекул в мембране — двойной молекуляр­ный слой с более или менее параллельно расположенными жирно-кислыми хвостами, дали возможность точно определить рас­стояние между полярной головой липидной молекулы и метильной группой в конце углеводородной цепи.

3. Фазовое состояние фосфолипидов в мембране. Фазовые переходы мембранных липидов. Модельные липидные мембраны: плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ ), липосомы; их использование для изучения свойств биологических мембран. Липосомы в медицине.

Липидные бислойные мембраны при физиологических усло­виях - жидкие, время оседлой жизни фосфолипидных моле­кул в мембране мало: т = 10~⁷ - 10~⁸ с. Бислойная липидная фаза биологических мембран соответ­ствует смектическому жидкокристаллическому состоянию (расположены упорядочено). При понижении температуры происходит переход из жидкокристаллическо­го в гель-состояние, которое условно иногда называют твердокристаллическим В гель - состоянии молекулы расположены еще более упо­рядочено, чем в жидкокристаллическом.. 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. 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, фосфолипидов. 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. 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 нм до 400 нм и более. Липосомы нашли непосредственное применение в медици­не. Например, можно заключить внутрь липосом лекарствен­ный препарат и использовать как фосфолипидную микрокап­сулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани.

Плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) - другой тип модельных мембран. Такие мембраны получают на ма­леньких 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 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, а том числе, барьерную (например, селективность проницаемости - хорошую прони­цаемость для воды и плохую для ионов). Можно моделировать биологический транспорт, вводя в модельную мембрану мо­лекулы-переносчики.