Биофизика мембран

1. Транспорт веществ через биологические мембраны

1.1. Введение

Структурной единицей живого организма является клетка, которой присущи все основные жизненные функции. Клетка - открытая термодинамическая система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. "Жизнь есть способ существования белковых тел". Это определение, данное

Ф. Энгельсом в 19 веке, не утратило своего значения и сегодня. Основу живой материи составляют высокомолекулярные органические вещества: белки, нуклеиновые кислоты и другие биополимеры. Их иногда называют живыми молекулами, но биополимеры не обладают свойствами живого вне клетки.

Биофизика клетки является разделом науки, который связывает воедино биофизические исследования, проводимые на атомном и молекулярном уровне с исследованиями, проводимыми на уровне органов и биологических систем в целом. Всем хорошо знакома современная схема строения клетки, основанная на наблюдениях сделанных с помощью электронного микроскопа.

В середине 19 века великий французский физиолог Клод Бернар высказал гипотезу существования плазматической мембраны, до него биологи-морфологи представляли клетку в виде комочков живого вещества, не имеющих оболочки. Выживание организма в условиях непрерывно меняющейся среды обусловлено способностью живых систем сохранять свое стационарное состояние. Для обеспечения такого состояния у всех организмов - от простых до самых сложных - существуют различные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления. Все они направлены на поддержание постоянства внутренней среды.

Положение о том, что именно постоянство внутренней среды определяет оптимальное условие для жизни и размножения организма было высказано К. Бернаром в 1857 году. Действительно, внутренняя среда высших животных обладает относительным постоянством физико-химических параметров. Для неё характерно постоянство температуры, рH, артериального давления, содержание кислорода, углекислого газа, различных ионов, сахаров и других физиологических констант, величины которых находятся в постоянной зависимости от структур биологической мембраны.

В 1929 году крупнейший американский физиолог Уолтер Б. Кэннон, расширив концепцию К. Бернара, создал учение о гомеостазе. Гомеостаз - это универсальное свойство живых организмов активно сохранять стабильность работы всех систем организма в ответ на воздействия, нарушающие эту стабильность, и поддерживать динамическое постоянство внутренней среды, а также устойчивость основных физиологических функций организма. Это динамическое постоянство возможно только за счет непрерывного обмена веществом и энергией между внеклеточной и внутриклеточной средой - с одной стороны; и между внеклеточной средой и внешней средой, окружающей органы и организм в целом - с другой стороны. Такой обмен возможен лишь при наличии градиентов на границах перечисленных сред.

1.2.Градиенты биологических систем

Под градиентом того или иного параметра системы для линейных функций подразумевают разность величин этого параметра X в двух точках пространства (A, B), отнесенную к расстоянию AB между этими точками:

Заметим, что градиент - это вектор. Обилие градиентов является одним из отличий организма от неживых систем. Наиболее выражены градиенты на границе между цитоплазмой и внеклеточной средой. На первый взгляд это не столь уж большая разница в содержании тех или иных веществ в клетке и вне её. Например, в цитоплазме нервного волокна млекопитающих содержится 150 мМ/л, а в межклеточной жидкости - 5,0 мМ/л ионов калия. Разница - 145 мМ/л. Различие становится особенно ощутимым, если учесть, что эта разница поддерживается на ничтожно малом расстоянии - порядка 10^-8 м (толщина клеточной мембраны).

Рассчитаем концентрационный градиент между клеточной мембраной по калию: пятнадцатимиллиардный градиент.

Столь же велики концентрационные градиенты для других ионов, белков, углеводов и т.д. Не менее выражены для клетки такие градиенты, как осмотический и электрический. Важно понять, что именно градиент, а не просто разность величин, является движущей силой многих жизненных процессов, в частности, переноса веществ между клетками и внеклеточной средой, а также между внутренней и внешними средами организма. Не случайно в уравнениях, выражающих закономерности процессов переноса веществ и энергии, аргументами служат градиенты. Вспомним основной закон диффузии : масса вещества, диффундирующего из одной точки пространства в другую, прямо пропорциональна концентрационному градиенту между этими точками:

- разность концентраций в точках 1 и 2, - расстояние между точками 1 и 2.

Многие патологические процессы, связанные с нарушением транспорта веществ в организме, часто обусловлены не уменьшением концентрации вещества, а увеличением расстояния между средами, в частности, за счет утолщения тех или иных тканевых структур. В мертвых тканях градиенты падают. Только живое в состоянии поддерживать неравновесное состояние своих сред.

Концентрационные градиенты предопределяют стремление веществ перейти туда, где их концентрация ниже, а осмотические заставляют воду переходить через мембрану в направлении более высокого осмотического давления. Однако, наличие градиентов само по себе не означает, что вещества транспортируются через мембрану. Это в конечном счете определяется способностью мембраны пропускать через себя то или иное вещество. Разные мембраны неодинаково относятся к одним и тем же веществам. Эта способность мембран избирательно пропускать вещества обозначается термином - проницаемость мембран .

1.3. Ультраструктура и функции биологических мембран

Проникновение веществ в клетку и из клетки в большой степени зависит от свойств мембраны. Мембраны образуют оболочки всех органелл клетки: ядра, митохондрий, лизосом, аппарата Гольджи, эндоплазматического ретикулума. Раньше считалось, что мембраны состоят только из тонкого слоя липидов. В экспериментах с эритроцитами установили, что площадь липидов, входящих в состав мембраны, вдвое больше площади самого эритроцита, в результате был сделан вывод, что мембраны состоят из двойного слоя фосфолипидов. Матриксом мембраны является биомолекулярный слой липидов. Белки, вкрапленные в липидный матрикс, образуют каналы для воды и ионов, формируют ионные насосы, и др.. Рецепторные функции на поверхности мембраны осуществляют мукополисахариды. Мембрана постоянно обновляется, ее качества могут несколько меняться в зависимости от изменения программы соответствующих процессов синтеза (рис.1).

1 - гликолипид,

2 - ионный канал,

3 - фосфолипид,

4 - интегральный белок,

5 - олигосахаридная боковая цепь,

6 - гидрофобный участок -спиралей,

7 - -спиральная белковая молекула,

8 - холестерин,

9 - наружная поверхность,

10 - липидный слой,

11 - внутренняя поверхность.

Рис.1. Трехмерная схема жидкостно-мозаической модели мембраны.

Клеточная мембрана обладает электрическими сопротивлением и емкостью. У аксона кальмара, например, удельное сопротивление мембраны составляет в покое 1000 Омсм² , а емкость равна примерно 1 мкФ/см^-2. Емкость мембраны, которая создается в основном ее липидным матриксом, практически не меняется, а сопротивление мембраны проходящему току сильно зависит от состояния ее ионных каналов.

Мембрана легко проницаема для жирорастворимых веществ, молекулы которых проникают через липидный матрикс. Крупные водорастворимые молекулы, такие как анионы органических кислот, вероятнее всего, совсем не проходят через мембрану (они покидают клетку путем экзоцитоза). В мембране также есть каналы, проницаемые для воды и малых молекул водорастворимых веществ и для отдельных ионов.

Мембрана клеток как оболочка очень тонкая, но достаточно прочная структура. Ее толщина приблизительно равна 5-10 нм. В современном представлении о структуре мембран положена жидкостно-мозаическая модель (рис.1) (1966 г. Дж.Ленард и С.Сингер). Согласно этой модели в жидком липидном бислое плавают глобулярные белки - интегральные и периферические. Одни из них являютя ионными каналами, другие (например, гликопротеиды) содержат олигосахаридные белковые цепи, участвующие в узнавании клетками друг друга и межклеточной коммуникации. Структура мембраны высокодинамична: липиды способны к латеральной и вращательной диффузии, они могут переходить из одного монослоя в другой. Белкам свойственна вращательная диффузия. Однако часть белков "заякорена" структурами цитоскелета и не может свободно плавать. Поэтому, жидкостно-мозаическая модель мембраны верна лишь частично.

В настоящее время предложена твердокаркасная жидкостно-мозаическая модель (1970 г. G.Vanderkooi, D.Green). В этой модели мембрана уподобляется белковому каркасу, ячейки которого заполнены липидным бислоем. В формировании непрерывного каркаса участвуют внутренние мембранные белки, белки цитоскелета, прилегающие к внутренней поверхности мембраны, а с наружной стороны - белки экстраклеточного матрикса: коллаген, фиброкинин. Важным структурным компонентом мембран является вода. Особенности взаимодействия основных молекулярных элементов с водой не только определяют многие структурно-функциональные свойства мембранных систем, но и становятся решающими в процессе их формирования и стабилизации.

Итак, мембрана не имеет строгой статической организации, она как бы мерцает или пульсирует. Между отдельными глобулами белков могут возникать поры, размеры которых варьируются. Существованием пор можно объяснить ee проницаемость для воды и водорастворимых веществ. Количество пор невелико около 0,06% ее поверхности. Мембраны различных органелл отличаются химическим составом и толщиной. Например, оболочки митохондрий состоят из 5 слоев белков и липидов (дубликатура элементарной мембраны). Интересны мембраны лизосом, (содержащие ферменты, разлагающие все наиболее важные вещества клетки, но свою мембрану не могут переваривать) при разрушении мембран лизосом происходит аутолиз. Поверхность мембран - это место, где протекает большинство биохимических реакций. АТФ-аза локализована, в основном, на мембране. Мембрана координирует и регулирует биохимические процессы в клетках, воспринимает сигналы, поступающие извне, и преобразует в команды для клетки, регулируя обмен веществ внутри клетки. Многие заболевания связаны с нарушением проницаемости мембран.

Искусственные мембраны впервые получены еще в 1917 году путем растворения в летучем растворителе фосфолипидов, образующих на поверхности воды пленку. После испарения растворителя получается моно и бимолекулярный слой фосфолипидов. Затем разработали технологию получения бимолекулярного слоя фосфолипидов с добавлением белков. В настоящее время существует много методов получения искусственных мембран, что дает возможность создавать различные модели для изучения свойств биологических мембран. Искусственные мембраны также находят практическое

применение в медицинской практике.

Ф

1 - двойной фосфолипидный слой,

2 - периферические белки,

3 - интегральные (трансмембранные белки),

4 - непотенциалзависимый канал (пример: специфический канал для ионов К, по нему осуществляется пассивный транспорт),

5 - потенциалзависимый канал,

6 - пора, возникающая в мембране в результате образования молекул лизолицетина.

осфолипидная молекула мембраны имеет два углеводных хвоста. Однако, например, под действием фермента фосфолипазы - А₂, который присутствует в ядах некоторых змей, один хвост может отщепляться, (рис. 2.) молекула из цилиндрической становится конической.

Рис.2. Основные молекулярные комплексы биологической мембраны.

Такая молекула называется лизолицетин. Оказавшись в составе мембран, такие молекулы образуют пору, например, на рис. 2 показана пора 6. Мембрана теряет барьерные свойства. Это приводит к повышению проницаемости мембраны клеток для ионов натрия и некоторых других или к полному разрушению клеток. Например, при укусах некоторых змей наблюдается гемолиз эритроцитов. Проницаемости для всех ионов при образовании пор в мембране выравнивается. Потенциал покоя снижается (см. раздел 2.3.). Митохондрия не может участвовать в синтезе АТФ, нервные клетки не могут проводить нервный импульс. Подобные процессы происходят при вирусных и бактериальных инфекциях, действии ионизирующего излучения и т.д.

Действие многих лекарственных веществ направлено на восстановление барьерных свойств мембран клеток.

В заключении этого раздела перечислим основные функции биологических мембран: барьерная, матричная, механическая и специфические - генерация и проведение биопотенциалов действия, рецепторная, энергетическая.