Клеточные мембраны. Структурные основы функционирования мембран

Клеточные мембраны. Структурные основы функционирования мембран.

Несмотря на то, что клетки у животных и растений очень специализированы и, вследствие этого, крайне разнообразны, существуют единые принципы построения всех клеток.

Единство автономности от окружающей среды и одновременно тесной связи с окружающей средой – необходимое условие функционирования живых организмов на всех уровнях их организации. Поэтому важнейшее условие существования клетки, и, следовательно, жизни – нормальное функционирование биологических мембран.

Рассмотрим основные функции  биологических мембран:

а) Барьерная – обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой (селективный – значит избирательный, регулируемый – проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки);

б) Матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие;

в) Механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки и внутриклеточных структур;

г) Энергетическая – синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий; генерацию и проведение биопотенциалов;

д) Рецепторная – механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция и многие другие функции.

Общая площадь  всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров. Относительно большая совокупная площадь связана с огромной ролью мембран в жизнедеятельности организма.

В 1935 году Даниэли и Давсон предложили модель строения мембраны, которая не претерпела существенных изменений до настоящего времени.

Согласно этой модели (Рис. 1.) имеются два слоя молекул фосфолипидов, которые расположены перпендикулярно поверхности мембраны. Гидрофильными концами молекулы липидов направлены наружу, а гидрофобными – к центру мембраны. Гидрофобные концы (Г) не содержат полярных групп и не могут присоединять молекулы воды. Обычно гидрофобный конец молекулы представлен насыщенной углеводородной цепью органической кислоты. Гидрофильные концы (П) молекул фосфолипидов содержат полярные группы, которые способны взаимодействовать с дипольными молекулами воды и формировать гидратные оболочки. Свойства фосфолипдных молекул (гидрофобность и гидрофильность) называются амфифильностью.

В смеси фосфолипидов с  водой термодинамически выгодно, чтобы  полярные головки молекул были погружены  в состоящую из полярных молекул воду, а их неполярные хвосты были бы расположены дальше от воды. Такое расположение амфифильных молекул соответствует наименьшему значению энергии Гиббса по сравнению с другими возможностями. В фосфолипидный слой встраиваются поверхностные (П.Б.) и интегральные белки (И.Б.). Интегральные белки образуют многочисленные связи с углеводородными цепями мембранных липидов, и поэтому их можно выделить только с помощью агентов, конкурентно участвующих в этих неполярных взаимодействиях. Периферические белки, напротив, связаны с мембранами электростатическими силами и водородными связями. Эти полярные взаимодействия могут быть разрушены при добавлении солей или изменений рН.

Согласно последним данным, периферические белки мембран часто присоединяются к поверхности интегральных белков.

Бислойная липидная фаза биологических мембран соответствует жидкокристаллическому состоянию. Это состояние очень чувствительно к изменению температуры, давления, химического состава, электрическому полю.

Согласно данным рентгеноструктурного анализа, инфракрасной спектроскопии, флюоресцентного анализа и других физических исследований, в фосфолипидной мембране при понижении температуры происходит переход из жидкокристаллического в гель-состояние, которое условно иногда называют твердокристаллическим. В гель-состоянии молекулы расположены еще более упорядочены, чем в жидкокристаллическом. Все гидрофобные углеводородные хвосты фосфолипидных молекул в гель-фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу (имеют полностью транс-конформацию). 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. Толщина мембраны в гель-фазе поэтому больше, чем в жидком кристалле (Рис.2). Однако при переходе из твердого в жидкокристаллическое состояние объем несколько увеличивается, потому что значительно увеличивается площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулу (от 0,48 нм² до 0,58 нм²). Так как в твердокристаллическом состоянии больше порядок, чем в жидком кристалле, ему соответствует меньшая энтропия.

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.

Являясь открытой термодинамической системой, клетка постоянно осуществляет обмен с  окружающей средой веществом, энергией и информацией. Такой обмен возможен благодаря способности клеток пропускать различные вещества, через свою оболочку. Проблема клеточной проницаемости включает в себя исследования кинетики поступления (транспорта) веществ в клетку и из неё, и механизм распределения веществ между клеткой и средой в стационарных условиях. Изучение проницаемости клеток имеет огромное теоретическое и практическое значение. Вся жизнедеятельность клеток связана с проницаемостью (метаболические процессы, распределения вещества между клеткой, и тканевой жидкостью, генерирование биопотенциалов и другие). Имеет большое значение в медицине, особенно в фармакологии и токсикологии как в норме и при патологии. В настоящее время для изучения и оценки проницаемости клеток применяются следующие основные методы: осмотические, индикаторные, химические, радиоактивных изотопов, измерения электропроводимости.

Осмотические  методы основаны на наблюдении за кинетикой  изменения объёма клеток при помещении их в гипертонические растворы разной концентрации.

Наблюдая за скоростью изменения объёма клеток можно судить о скорости проникновения  в них веществ. С целью объективной регистрации этих процессов применяют центрифугирования взвеси клеток и визуальное определение их суммарного объёма с помощью гематокрита, методом фотометрии, а также определения изменений показателя преломления клеток в суспензионной жидкости.

Индикаторные  методы основаны на изменении окраски  клеточного содержимого при поступлении  в клетку определённых веществ – витальных красителей.

Химические  методы основаны на обычном качественном и количественном определении содержания веществ в клетках или в среде. Методы радиоактивных изотопов, обладающих радиоактивностью. При этом исследуемое вещество метят с помощью какого-либо изотопа, то есть включают в состав молекулы исследуемого вещества радиоактивный (меченый) атом. Этот метод является наиболее совершенным и точным. Особая ценность метода заключается в том, что он удобен для изучения кинетики входа и выхода веществ и позволяет исследовать эти процессы в естественных условиях, когда клетка находится в стационарном состоянии.

Метод измерения электропроводности применяется при исследовании проницаемости клеток для ионов. Электропроводность клеток определяется активностью ионов в клетках и проницаемостью клеточных мембран для них.

Перемещение веществ  в клетку или из нее в окружающую среду может осуществляться многими способами:

1. Пассивный  транспорт не электролитов и  ионов через мембрану.

2. Активный транспорт  - перенос не электролитов и  ионов против градиента химического или электрохимического потенциала. Этот вид транспорта сопряжен с энергетическими затратами.

3. Транспорт, сопряженный  с изменением архитектуры мембраны, – экзо и эндоцитоз. В этом случае участок плазматической мембраны обволакивает захватываемый клеткой материал, который в результате эндоцитоза попадает внутрь клетки. Одним из видов экзоцитоза является фагоцитоз.

Проницаемость мембран для  различных веществ, работа мембранных ферментов и рецепторов непосредственно зависит от физических свойств липидной фазы биологических мембран. Поверхностный заряд мембраны образуется заряжёнными молекулами, фосфолипидов." В связи с этим биологическую мембрану можно рассматривать как электрический конденсатор (Рис.3), в котором пластинами являются электролиты наружного и внутреннего растворов(внеклеточного и цитоплазмы) с погруженными в них головками липидных молекул. Проводники разделены диэлектрическим слоем, образованным неполярной частью липидных молекул – двойным слоем из хвостов. Липиды – диэлектрики с диэлектрической проницаемостью e»2.

Ёмкость плоского конденсатора

                           (1)

- где электрическая  постоянная e₀=8,85х10¹² Ф/м, d – расстояние между пластинами конденсатора, S – площадь пластины.

Удельная ёмкость (на единицу  площади)

                 (2)

Отсюда можно  найти расстояние между пластинами конденсатора, соответствующее в нашем случае толщине липидной части мембраны, Это как раз соответствует по порядку величины толщине неполярной части бимолекулярного слоя липидов, сложенных определённым образом. Вязкость мембраны на два порядка выше вязкости воды и составляет (30-100)мПас. Поверхностное натяжение мембраны (0,03-1,0) нН/м.

           (3)

 

Пассивный транспорт веществ через мембрану.

 

Пассивный транспорт  веществ всегда осуществляется за счет энергии, сконцентрированной в каком-либо градиенте. Этот вид транспорта всегда происходит по направлению градиентов, то есть от более высокого энергетического уровня к более низкому. Основным механизмом пассивного транспорта веществ, обусловленным наличием концентрационного градиента, является диффузия. Перенос неэлектролитов обусловлен градиентом химического потенциала. Рассмотрим типы пассивного транспорта (рис.4).

По пути простой диффузии (тип А) в клетке обеспечивается проницаемость мембран для О₂ и СО₂, большинства ядов и лекарственных веществ. Это самый медленный и малоуправляемый процесс.

Для переноса питательных веществ и необходимых для жизнедеятельности ионов эволюция выработала специальные белковые поры (каналы) – тип Б. Диффузия через поры происходит при возбуждении мембраны. В биологических мембранах был обнаружен еще один вид диффузии – облегченная диффузия. Облегченная диффузия происходит при участии молекул-переносчиков. Например, валиномицин – переносчик ионов калия (тип В). Молекула валиномицина имеет форму манжетки, устланной внутри полярными группами, а снаружи – неполярными. Валиномицин связывает катион К⁺ в 1000 раз предпочтительнее, чем катион Na⁺. Причина этой избирательности в том, что К⁺ слабее, чем Na⁺, притягивает молекулы воды. Присоединяя ион К⁺, он транспортирует его внутрь клетки. На внутренней поверхности ионы К⁺ высвобождаются.

Переносчик  возвращается к наружной поверхности  мембраны. Далее цикл повторяется.

Вторым переносчиком является транспортный антибиотик-каналообразователь грамицидин (тип Г). Транспорт, облегченный образованием пор, имеет эстафетный характер. Пора может быть образована несколькими последовательно расположенными молекулами, между которыми происходит передача иона Ка⁺. Ион может переноситься не одной, а сразу несколькими молекулами ионофора – это коллективный процесс.

Рассматривая  механизм пассивного транспорта, следует  обратить внимание на то, что типы транспорта А и Б не создают концентрационного  градиента вещества внутри клетки.

Механизм облегченной  диффузии (типы В и Г), для которой характерен феномен насыщения. Он проявляется в том, что скорость транспорта увеличивается с ростом концентрации транспортируемого вещества.

Количественно пассивный транспорт можно описать  уравнением Нернста-Планка.

                   (4)

- где: Ф - поток  вещества,

u - подвижность иона, молекулы,

R - универсальная газовая постоянная,

Т - температура  по шкале К⁰,

dс/dх - концентрационный градиент,

с - концентрация в молях,

Z - величина заряда иона,

F - число Фарадея,

dj/dх - градиент потенциала.

В этом уравнении  первое слагаемое определяет поток  незаряженных частиц, второе - заряженных, знак «-» показывает, что суммарная  плотность потока вещества при диффузии направлена в сторону уменьшения концентрации.

Для описания диффузии незаряженных частиц также используют уравнение Фика:

                            (5)

В этом виде уравнение  Фика определяет поток незаряженных частиц через единичную площадь.

 

При стационарном транспорте через мембрану для клеточной мембраны dx = L - толщина мембраны, dс = С_е – С_i, где С_е и С_i - концентрация частиц вне клетки и внутри ее. В уравнение Фика для клетки вводится коэффициент распределения К, который определяет соотношение концентрации частиц между средой и мембраной, и константа диффузии.

 

 

Учитывая это, уравнение Фика приобретает следующий вид:

                           (6)

- где – называют эффективным коэффициентом проницаемости, тогда

                         (7)

 

Активный  транспорт веществ в клетках.

 

Выше были рассмотрены  основные типы пассивного транспорта веществ в клетках. При пассивном транспорте энергия метаболических процессов не расходуется, а перенос веществ осуществляется по электрохимическому градиенту. Пассивный перенос всегда стремится выровнять неравномерность в распределении веществ между клеткой и средой.

Перенос молекул  и ионов против электрохимического градиента, осуществляемый клеткой  за счет энергии метаболических процессов, называется активным транспортом.