Биологическая мебрана

Живые системы на всех уровнях  организации - открытые системы. Элементарная ячейка жизни - клетка и клеточные  органеллы тоже открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мембраны - необходимое условие жизни. С переносом веществ через мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение часто связано с проникновением лекарств через клеточные мембраны.

 Биологическая мембрана - ультратонкая бимолекулярная пленка  фосфолипидов, инкрустированная белками  и полисахаридами. Эта клеточная  структура лежит в основе барьерных,  механических и матричных свойств  живого организма.

Следует отметить, что для  исследования мембран потребовалась  интеграция знаний многих областей естественных наук. Чтобы понять, как функционируют мембраны, надо знать такие темы как "Электричество" (физика), "Липиды и белки" (органическая химия), уметь решать хотя бы простейшие дифференциальные уравнения (математика).

Транспорт веществ через биологические  мембраны можно разделить на два  основных типа: пассивный и активный. Пассивный транспорт идет в направлении перепада электрохимического потенциала вещества, происходит самопроизвольно и не требует свободной энергии АТФ.

Активный транспорт - это такой  процесс, при котором перенос  происходит из места с меньшим  значением электрохимического потенциала к месту с большим его значением. Этот процесс, сопровождающийся ростом энергии, не может идти самопроизвольно, а только в сопряжении с процессом  гидролиза АТФ, то есть за счет затраты  энергии Гиббса, запасенной в макроэргических  связях АТФ.

Транспорт макромолекул в клетку осуществляется с помощью механизма  эндоцитоза. Материал, находящийся во внеклеточном пространстве, захватывается в области впячивания (инвагинации) плазмолеммы, края которого смыкаются с формированием эндоцитозного пузырька .

Диффузия - самопроизвольное перемещение  вещества из мест с большей их концентрацией  в места с меньшей концентрацией  вещества вследствие хаотического теплового  движения частиц.

Биологическую мембрану можно  рассматривать как электрический  конденсатор. Проводниковые пластины конденсатора образуют электролиты  наружного и внутреннего растворов . Проводники разделены липидным бислоем. Липиды - диэлектрики с диэлектрической проницаемостью.

Огромную роль в развитии представлений о строении биологических  мембран сыграло все большее  проникновение в биологию физических методов исследования. Большую информацию о структуре мембран, о взаимном расположении атомов мембранных молекул  дает рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции коротковолновых рентгеновских  лучей на атомах. Исследования дифракции  рентгеновских лучей подтвердили  относительно упорядоченное расположение липидных молекул в мембране , дали возможность точно определить расстояние между полярной головой липидной молекулы и метильной группой в конце углеводородной цепи.

Как показано физическими  методами исследования - дилатометрией (измерением коэффициента объемного  расширения) и калориметрией (измерением теплоемкости), рентгеноструктурного анализа и др. - липидная часть  биологических мембран при определенных температурах испытывает фазовый переход  первого рода. Согласно данным рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии, флюоресцентного анализа, инфракрасной спектроскопии и других физических исследований в фосфолипидной мембране при понижении температуры происходит переход из жидкокристаллического в гель-состояние, которое условно иногда называют твердокристаллическим.

К методам изучения динамики мембран, дающим возможность  исследовать их, не разрушая, относятся  флюоресцентный метод и методы радиоспектроскопии - электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Эти методы дают сведения о движении и взаимодействии мембранных молекул и отдельных частей молекулы. Метод ЭПР показал, что не вся поверхность биологической мембраны покрыта белками. На основе физической модели - бислойной липидной мембраны - стала возможна полная реконструкция клеточной мембраны с ее многочисленными функциями - транспортной, электрической и рецепторной. Липееомы (искусственные мембранные частицы) используются в медицине с целью направленной доставки лекарств. Вековая мечта фармакологов об инструменте, с помоишо которого можно оказывать лечебное воздействие на отдельную клетку, близка к осуществлению.