Изучение структуры и функционирования биологических мембран имеет важное значение для медицины, так как многие патологические процессы в клетке связаны с нарушением функций мембран. Их площадь огромна. Площади достаточно для обеспечения многочисленных процессов, протекающих на мембранах, обеспечивающих жизнеспособность человека. Общая площадь мембран в органах человека ‑ десятки тысяч квадратных метров.
а) Функции мембран:
– Механическое разделение.
– Транспортная функция.
– Селективный барьер.
– Рецепция (распознавание).
– Распространение нервного импульса.
– Матричная, для удержания белков, ферментов.
Основу мембраны составляет двойной фосфолипидный слой. Липиды (вещества на основе жирных кислот) состоят из полярной головы и двух неполярных углеводородных хвостов. Головы – гидрофильны (притягивают молекулы воды). Хвосты – гидрофобны (не взаимодействуют с водой). Хвосты обращены внутрь бимолекулярного слоя (рис. 56). Гидрофильные головы взаимодействуют с внешними белковыми слоями и молекулами воды вне и внутри клетки.
|
|
Липиды и белки в бислое могут перемещаться достаточно быстро внутри слоя вдоль плоскости мембраны (Латеральная диффузия) и очень медленно между двумя монослоями поперек мембраны. На одну молекулу белка приходится 70‑90 молекул липидов.
75‑80 % поверхности мембраны покрывают белковые молекулы (липопротеиды), которые придают ей эластичность и устойчивость к механическим повреждениям. Этот слой играет также роль носителя электрического заряда.
Рис. 56. Схематичное строениемембраны: L – толщина мембраны;
пб – поверхностные белки; иб – интегральные белки;
к – белки, формирующие ионный канал (пору)
Интегральные белки – они ответственны за избирательную проницаемость клеточной мембраны. Их диаметр 0,35‑0,8 нм. Их количество невелико (в эритроцитах площадь этих каналов составляет всего 0,06 %). Некоторые из этих белков функционируют как ионные насосы (на рис. 56. обозначены к) и регулируют электрохимическую систему возбуждения клетки. Стенки каналов обладают электрическим зарядом.
б) Модели мембран.
На моделях мембран изучают их свойства.
Рис. 57. Поведение молекул фосфолипидов в воде
Монослой (рис. 57 а). Молекулы фосфолипидов помещены на границу раздела вода – воздух. Пока молекул немного они располагаются на поверхности, прильнув головами к воде.
Плоский бислой (рис. 57 б). Если в водном растворе липидных молекул много, то эти молекулы собираются так, чтобы гидрофобные хвосты были закрыты от воды. Такая модель позволяет изучать ионную проницаемость, генерацию электрического потенциала на мембране.
|
|
Липосомы. Липидные бислои, имея большую протяженность, стремятся замкнуться сами на себя. При этом образуются фосфолипидные везикулы (пузыри) – липосомы (рис. 57 в).
Липосома практически лишена белков. В медицине липосомы используют для доставки лекарственных средств в определенные органы и ткани, приготавливая их в среде содержащей нужное вещество. Так готовят кремы, мази в дерматологии и косметологии.
в) Физические свойства мембран.
Плотность ρ = 800 кг/м3; Толщина 4‑13 нм; прочность: максимальная деформация составляет ~ 0,01 %; внутреннее давление в клетке не более 100 Па; модуль упругости 0,45 Па; вязкость 30‑100 мПа·с (как у растительного масла); поверхностное натяжение 0,03–3 мН·м–1; коэффициент проницаемости 25‑30 10–4 см/с; электроемкость 1 см2 ~ 0,5–1,3 мкФ; напряженность поля 20 106 В/м; диэлектрическая проницаемость
ε = 2,0–2,2 для фосфолипидной области; ε = 10–20 для
гидрофильной области; электрическое сопротивление
1 см2 ~ 102–105 Ом (это в десятки миллионов раз больше сопротивления внеклеточной жидкости или цитоплазмы); показатель преломления n = 1,55; состояние мембраны – жидкокристаллическое.
ЛЕКЦИЯ 17 |