Механизмы проницаемости биологических мембран

          МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ

                                        КАЗАХСТАН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ Г.СЕМЕЙ

 

                  

                                                     

 

                                          СРС

                Специальность: Общая медицина

                Дисциплина: Медицинская биофизика

                Группа: 111

                Тема: "Механизмы проницаемости биологических мембран"

               

 

 

 

                                                                  

                                                                   Выполнил:

                                                                   Проверила:

 

 

 

 

 

 

                                               Семей – 2012 г.

План

 

I Введение

1 Строение мембраны

2 Функции мембраны

3 Подвижность фосфолипидных  молекул в мембранах

4 Латеральная диффузия

5 Флип-флоп

6 Пассивный перенос вещества  через биологическую мембрану

7 Активный транспорт вещества  через биологическую мембрану

8 Симпорт, унипорт, антипорт

III Заключение

IV Список использованной литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    I Введение

    

     Термин « мембрана» используют в биологии более века, обозначая им клеточную границу, которой свойственна полупроницаемость (легкость проникновения сквозь нее одних веществ при невозможности преодоления ее другими). В 1851 г. физиолог Х.Моль описал плазмолиз растительных клеток и предложил, что клеточным стенкам присущи свойства мембран. Ботаник К.Негели (1855) выделил из этих свойств полупроницаемость в качестве главного условия поддержания нормального осмотического давления внутри клеток. В 1877 г. В.Пфеффер опубликовал фундаментальный труд «Исследования осмоса», в котором создал умозрительную модель клеточной мембраны, подметив структурное сходство между клетками и осмометрами, имеющими искуственные полупроницаемые мембраны. Представления о мембране как непременном и важнейшем компоненте клетки не случайно развивались в прошлом веке ботаниками, а не исследователями животного мира. Под микроскопом хорошо была видна стенка растительной клетки, тогда как оболочку животной клетки увидеть не удавалось. Некоторые ученые (например, К.Бернар) предполагали, что она существует, но большинству исследователей клетки животных представлялись в виде «комочков живого вещества», не имеющих оболочки.

     Электронная  микроскопия развеяла заблуждения.  При достаточном увеличении стали  видны не только клеточные  стенки растений, но и истинные  наружные мембраны растительных  и животных клеток. Каждая клетка  окружена наружной оболочкой,  которую называют плазматической мембраной (плазмолеммой, цитолеммой). Ей придают первостепенное значение в организации жизни: «...только после образования мембраны вокруг всей клетки мы действительно имеем то, что с полным правом может быть названо организмом» [Бернал, 1968].

 

    1 Строение мембраны

     Первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 г. Было замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого было сделано предположение, что биологические мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов. На самом деле, на поверхности раздела полярной и неполярной среды ( например, воды и воздуха ) молекулы фосфолипидов образуют мономолекулярный ( одномолекулярный ) слой. Их полярные «головы» погружены в полярную среду, а неполярные «хвосты» ориентированы в сторону неполярной среды. Поэтому и можно было предположить, что биологические мембраны построены из монослоя липидов.

     На основании  результатов исследований Гортера  и Грендела в 1925 г. была высказана  идея, что липиды в мембране  располагаются в виде биомолекулярного  слоя. Эту гипотезу подтвердили  исследования электрических параметров  биологических мембран ( Коул  и Кертис, 1935 г.).

     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.

     Однако мембрана  – это не только липидный  бислой. Имелись экспериментальные  данные, которые свидетельствовали  о том, что биологическая мембрана  состоит и из белковых молекул.  Эти противоречия экспериментальным результатам были устранены Даниелли и Дэвсоном, предложившими в 1935 г. так называемую бутербродную модель строения биологических мембран, которая с некоторыми несущественными изменениями продержалась в мембранологии в течение почти 40 лет. Согласно этой модели мембрана – трехслойная. Она образована двумя расположенными по краям слоями белковых молекул с липидным бислоем посередине; образуется нечто вроде бутерброда: липиды, наподобие масла, между двумя «ломтями» белка.

     Однако по  мере накопления экспериментальных  данных пришлось в конце концов  отказаться и от бутербродной  модели строения биологических  мембран.

     Наибольшие  успехи в раскрытии особенностей  строения биологических мембран  были достигнуты в электронно-микроскопических исследованиях. При помощи электронной микроскопии удалось получить изображение биологических мембран, на снимках видно трехслойное строение мембраны.

     Современное представление о структуре мембраны. Совокупность результатов, полученных физическими и химическими методами исследования, дала возможгость предложить новую жидкостно-мозаичную модель строения биологических мембран ( Сингер и Никольсон, 1972 г. ). Согласно Сингеру и Никольсону, 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.  Это позволяет сравнить мембрану  с фосфолипидным морем, по которому  плавают белковые «айсберги». Одним из подтверждений жидкостно-мозаичной модели является тот факт, что, как установил химический анализ, в разных мембранах соотношение между содержанием белков и фосфолипидов сильно варьирует: в миелиновой мембране белков в 2,5 раза меньше, чем чем липидов, а в эритроцитах, напротив, белков в 2,5 раза больше, чем липидов. При этом, согласно современной модели, соотношение количества белков и липидов во всех мембранах должно быть примерно одинаково. Кроме фосфолипидов и белков, в биологических мембранах содержатся и другие химические соединения. В мембранах животных клеток много холестерина ( в сравнимом количестве с фосфолипидами и белками ). Есть в мембранах и другие вещества, например гликолипиды, гликопротеиды.

     Жидкостно-мозаичная  модель строения мембраны в  настоящее время общепринята.  Однако, как всякая модель, она  дает довольно упрощенную картину  строения мембраны. В частности, обнаружено, что белковые «айсберги» не всегда свободно плавают в липидном море, а могут быть «заякорены» на внутренние ( цитоплазматические ) структуры клетки. К таким структурам относятся микрофиламенты и микротрубочки. Микротрубочки – полые цилиндры диаметром около 300 нм из особого белка ( тубулина ) играют, по-видимому, важную роль в функционировании клетки.

     Выяснилось  также, что не все липиды  в мембране расположены по  принципу бислоя. Физические методы  исследования показали, что липидная  фаза мембран содержит также  участки, где липидные молекулы  не образуют двойной слой. Молекула фосфолипида лецитина содержит полярную голову (производную фосфорной кислоты) и длинный неполярный хвост (остатки жирных кислот). В голове фосфолипидной молекулы лецитин имеются две заряженные группы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Два разноименных заряды, равные по абсолютной величине, образуют электрический диполь.

     Все клеточные  мембраны построены в основном  из липидов, белков и углеводов,  причем последние образуют соединения  с белками (гликопротеиды) и  липидами (гликолипиды). Органические  вещества образуют соли с различными  ионами, которые вместе с тем  присутствуют в виде водных  растворов внутри мембранных  каналов.

2 Функции мембраны

     В самом общем виде и применительно к мембранам всех типов многообразие функций можно свести к трем основным: механической, барьерной и матричной.

     Механическая функция заключается в поддержании морфологической целостности и относительной автономности как клетки в целом, так и внутриклеточных органоидов. Она основана прежде всего на механических свойствах мембранных структур.

     Под барьерной функцией понимают создание биомембранной препядствий для свободного переноса веществ через нее. Выше говорилось о том, что для одних агентов БМ является непреодолимым препядствием, другие легко проходят сквозь нее, причем, как правило, только в определенном направлении, как того требуют векторные свойства мембран. Скорости мембранного транспорта разных веществ далеко не одинаковы. Следовательно, с барьерной функцией БМ непосредственно связана ее избирательня  (селективная) проницаемость. Мембраны не только отделяют клетки друг от друга, но также разделяют цитоплазму на ряд замкнутых отсеков (компартментов), каждый из которых выполняет свою специфическую задачу. Принцип компартментализации (разбиения цитоплазмы на компартменты) признан сейчас одним из важнейших в организации биологических систем. Благодаря компартментализации в клетке пространственно разобщены и изолированы друг от друга биохимические процессы, совместное течение которых невозможно. Между содержимым органоидов и цитозоля имеются существенные различия в химическом составе, чем обусловлены высокие концентрационные градиенты на внутриклеточных мембранах. На плазмолемме также поддерживаются значительные физико-химические градиенты. Они служат главной движущей силой трансмембранного переноса веществ.

     Преимущества  компартментализации связаны не  только с барьерной, но и  с матричной функцией клеточных мембран. БМ служит матрицей для белков-рецепторов, ферментов и других физиологически активных веществ, обеспечивая пространственную организацию рецепторных взаимодействий, метаболических реакций, переноса энергии и других мембранных процессов. Так, биомембраны объединяют встроенные в них ферменты в единый конвейер, где каждый из них действует строго согласованно с остальными. Среди мембранных ферментов выделяют так называемые векторные, которые пронизывают БМ и принимают субстраты на ее одной стороне, чтобы выделить продукты реакции на противоположной. Реакции, катализируемые такими ферментами, имеют векторный характер. Мембранным ферментам присуще явление аллопии, заключающееся в том, что при отделении от БМ они полностью или частично утрачивают свою активность.

     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, зрительня, химическая, терморецепция – мембранные процессы ) и многие другие функции.

3 Подвижность фосфолипидных молекул в мембранах

     Режим функционирования мембраны сильно зависит от: микровязкости липидного бислоя и подвижности фосфолипидных молекул в мембране, фазового состояния мембранных липидов. Липидная фаза биологических мембран при физиологических условиях ( температуре, давлении, химическом составе окружающей среды ) находится в жидком агрегатном состоянии. Это доказано методами флюоресцентного анализа ( с использованием флюоресцентных зондов и меток ), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), с использованием спиновых зондов и меток, и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Флюоресцентный анализ дает возможность исследовать подвижность фосфолипидных молекул в мембране.

     Чем сильнее  взаимодействие между атомами  и молекулами образца, тем спектры шире. Чем слабее взаимодействие между частицами (больше подвижность молекул), тем уже спектры ЭПР. По ширине спектров ЭПР можно судить о подвижности молекул вещества. Так как молекулы фосфолипидов диамагнитны, для ЭПР-исследований биомембран используются спин-зонды и спин-метки – молекулы или молекулярные группы с неспаренными электронами. Парамагнитные спин-зонды вводятся в липидную мембрану, спектры поглощения спин-зондами электромагнитной волны дают информацию о свойствах липидного окружения, в частности о подвижности липидных молекул в мембране.

     Любопытно,  что микровязкость мембраны у  концов липидных хвостов меньше, чем около полярных голов. Это  доказано методом ЭПР с использованием  спин-меток. Спиновые метки присоединялись к разным местам фосфолипидной молекулы. И как было видно, второму положению спиновой метки соответствует более узкий спектр ЭПР, а следовательно, подвижность участка 2 фосфолипидной молекулы больше, чем участка 1. Поэтому в середине мембраны упорядоченность во взаимном расположении хвостов фосфолипидных молекул меньше.

     Флюоресцентные, ЭПР- и ЯМР-исследования показали, что подвижность фосфолипидных  молекул в мембране сравнительно  велика, а вязкость мала.

4 Латеральная диффузия

     Высокая подвижность  липидных молекул обусловливает  латеральную (боковую) диффузию. Латеральная диффузия – это хаотическое тепловое перемещение молекул липидов и белков в полости мембраны. При латеральной диффузии рядом расположенные молекулы липидов скачком меняются местами и вследствие таких последователных перескоков из одного места в другое молекула перемещается вдоль поверхности мембраны. Перемещение молекул по поверхности мембраны клетки за время определено экспериментально методом флюоресцентных меток – флюоресцирующих молекулярных групп. Флюоресцентные метки делают флюоресцирующими молекулы, движение которых по поверхности клетки можно изучать, например, исследуя под микроскопом скорость расплывания по поверхности клетки флюоресцирующего пятна, созданного такими молекулами. Оказалось, что среднее квадратичное перемещение за секунду фосфолипидной молекулы по поверхности мембраны эритроцита составило около 5 мкм, что сравнимо с размерами клеток.