Гидрофобный эффект объединяющий молекулярные компоненты в мембранах, препятствует их выходу в водную фазу за пределы мембраны. В то же время силы межмолекулярного взаимодействия обычно не мешают молекулам в мембранах обмениваться друг с другом местами, поскольку площадь контакта между водой и гидрофобными участками при этом практически не изменяются. Вследствие этого молекулярные компоненты в мембранных системах сохраняют индивидуальную подвижность и могут диффузионным путем передвигаться в пределах мембраны.
Рассмотрим подвижность и типы движения основных молекул, входящих в состав биологической мембраны.
Для измерения подвижности отдельных липидов и их частей используют разнообразные методы. Так к полярной головке липида можно присоединить «спиновую метку», например нитроксильную группу (=N-О), имеющую неспаренный электрон. Спин этого электрона порождает парамагнитный сигнал, который обнаруживается методом электронного парамагнитного резонанса. Этот метод позволяет легко определить движение и ориентацию в бислое подобного спин – меченного липида. Такие опыты показали, что молекулы липидов легче всего осуществляют вращательные движения вокруг своей длинной оси. Время корреляции вращательного движения τс молекул (время поворотов на угол в 1) спин – меченых фосфолипидов, стеринов и жирных кислот в различных модельных и природных мембранах, находящихся в жидком составляет ≈10-9с. Вращательное движение имеет достаточно малое время корреляции и температуру ниже точки плавления жирно-кислотных цепей липидов в мембранах.
Латеральная диффузия. Липидные молекулы без труда меняются местами со своими соседями в пределах одного монослоя. Такое перемещение молекул обычно называют латеральной диффузией. Липидная молекула средних размеров диффундирует на расстоянии, равное длине большой бактериальной клетки (≈2 мкм), ≈ за 1с. Скорость латеральной диффузией существенно зависит от липидного состава мембран и температуры.
Флип-флоп переходы. Другой тип движения молекул липидов в мембранных системах – это трансбислойное движение (флип-флоп-переход). Исследование движения спин – меченых липидов показывают, что липидные молекулы в синтетических мембранах чрезвычайно редко пересказывают из одного монослоя мембраны в другой. Этот процесс имеет особое физиологическое значение, так как процесс биосинтез фосфолипидов и сборка мембраны протекают асимметрично. Активные центры ферментов биосинтеза фосфолипидов локализованы на одной, а не на двух сторонах мембраны. Например, фосфолипиды синтезируются и внедряются в мембрану на цитоплазматической стороне эндоплазматического ретикулума печени крысы и на внутренней стороне бактериальной цитоплазматической мембраны. Ясно, что эти липиды должны пересечь мембрану, чтобы достичь противоположной стороны бислоя.
Скорость трансмембранной миграции фосфолипидов в фосфолипидных везикулах пренебрежимо мала: ее характерное время составляет несколько суток или любая индивидуальная молекула липида осуществляет подобный флип-флоп-перескок реже, чем 1 раз в неделю. Такая малая скорость перехода связана с необходимостью преодолеть полярной головке липида углеводородную зону мембраны. Флип-флоп-переход может ускоряться в присутствии таких интегральных мембранных белков, как гликофорин, или при возмущениях в бислое, происходящих, например, при обработке фосфолипазами.
Однако имеются мембраны, в которых миграция липидов протекает очень быстро, с характеристическим временем порядка нескольких минут. Такие данные по лучены для эндоплазматического ретикулума печени крысы, а также для цитоплазматической мембраны грамположительных бактерий В. megaterium. В этих мембранах происходит синтез липидов, и в них, по-видимому, присутствуют специальные транслоказы, которые обеспечивают быструю трансмембранную миграцию липидных молекул. Такое предположение было высказано в отношении эндоплазматического ретикулума, но оно пока не нашло экспериментального подтверждения. Характерное время трансмембранной миграции липидов в мембране эритроцитов имеет промежуточное значение и составляет величины порядка нескольких часов в зависимости от структуры изучаемого липида. Было установлено, что скорость миграции возрастает при нарушениях цитоскелета, а также под действием агентов, влияющих на структуру липидного бислои (например, грамицидина А). Возможно, цитоскелет играет определенную роль в уменьшении скорости миграции липидов через бислои благодаря связыванию аминофосфолипидов. Характерно, что ни эндоплазматический ретикулум, ни бактериальная цитоплазматическая мембрана, для которых характерна высокая скорость флип-флопа перехода липидов, не связаны с цитоскелетом.
Литература:
1. Рубин А.Е. Биофизика. 2 том. М.Высшая школа, 2004.
2. Рыбин Н.И. Лекции по биофизике. Свердловск.СГУ,1990.
3. Антонов В.Ф.и др. Биофизика. – М, 2000–
4. Геннис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. – М.: Мир, 1997 – 624 с.
5. Владимиров Ю.А. с соавт. Биофизика. М., Медицина, 1983.
Контрольные вопросы.
1. Почему врачу надо знать основы мембранологи?
2. Какими методами изучают строение мембран и почему?
3. Для чего используют модельные системы?
