Структурные основы функционирования мембран

Важнейшие физические и физико-химические функции клетки проявляются в метаболизме и биосинтезе, в биоэнергитических процессах запаса энергии и ее преобразовании при реализации электро- и механохимических процессов, а также регулируемого активного и пассивного транспорта веществ с сохранением автономности внутреннего устройства клетки. Для выполнения этих жизненно важных функций клетка отделена от внешней среды полупроницаемой плазматической мембраной. С точки зрения структуры мембрана представляет собой матрицу для мембранных ферментов, рецепторов и других компонентов, создающих барьерную функцию. Молекулы фосфолипидов состоят из полярной головки (П), в состав которой входит одно из полярных соединений (холин, этаноламин, серии и др.) и неполярного хвоста (Г), который содержит глицерин, жирные кислоты, фосфорную кислоту. Фосфолипидные молекулы обладают свойством амфифильности: полярная головка гидрофильна, т.е. смачивается водой (контактирует с водой), «хвост» является гидрофобным, т.е. не смачивается водой («боится воды»). По форме молекулы фосфолипидов представляют сплющенные цилиндры, 1/4 которых гидрофильна, а 3/4 гидрофобны. В водных растворах такие молекулы самособираются, стараясь спрятать от воды гидрофобные хвосты, и образуют двойной фосфолипидный слой - собственно основу мембраны. В этот слой встраиваются поверхностные (ПБ) и интегральные (ИБ) белки. Причем, поверхностные белки удерживаются электростатическими силами, а интегральные - прочными гидрофобными взаимодействиями. За счет этих белков частично или полностью осуществляются такие функции мембран, как проницаемость, транспорт веществ, генерация биопотенциалов и др. Перекисное окисление при свободном радикальном процессе одной из кислых цепей фосфолипидов или отщепление ее под действием фосфолипазы, приводит к сужению ее хвостовой части. Такие дефектные молекулы при сборке образуют не бислой, а сферические мицеллы. Оказываясь в составе мембраны, они образуют поры или каналы (К), через которые могут проникать вода и растворенные в ней вещества. В результате, мембрана частично теряет свои барьерные свойства. Поэтому перекисное окисление и действие фосфолипаз являются процессами, ответственными за повреждение мембран при ряде заболеваний. Из физических свойств мембраны следует отметить, что молекулы фосфолипидов испытывают боковое давление, обусловленное поверхностным натяжением на границе вода – липидная фаза. Это давление в норме определяет величину плотности упаковки в липидном слое. При изменении температуры, химического состава хвоста, заряда «головки», при патологических процессах, изменяется и плотность упаковки.

Различного вида исследования показали, что липидный бислой может находиться в двух состояниях:

1. Твердого двухмерного кристалла

2. Бимолекулярной жидкой пленки (жидкокристаллической).

В обоих состояниях сохраняется плотная гексагональная упаковка фосфолипидных молекул, однако плотность упаковки уменьшается при переходе к жидкой фазе. Жидкое и твердое состояние различается также по вязкости липидной фазы, растворимости различных веществ в ней. Будет ли состояние бислоя твердым или жидким, не вдаваясь в подробности, зависит от химического состава липидов, числа заряженных групп на поверхности мембраны, содержания воды и температуры. Проницаемость мембран для различных веществ, работа мембранных ферментов и рецепторов непосредственно зависит от физических свойств липидной фазы биологических мембран (поверхностного заряда и межфазного скачка потенциала).

Поверхностный заряд мембраны образуется заряженными фосфолипидами, которые создают на поверхности мембраны, преимущественно отрицательный заряд, стабилизирующий мембрану и клеточные элементы. В связи с этим мембраны напоминают плоско-параллельный конденсатор (электростатическая емкость).

C = (εε₀S)/d

Толщина мембраны составляет (0,4 - 0,9) нм. Если е = 13, тогда величина этой емкости (0,5 - 1,3)10^-2 нм на единичной площади. Вязкость мембраны на два порядка выше вязкости воды и составляет (30 - 100) МПа*с. Поверхностное натяжение мембраны (0,03 - 1,0) нН/м. Распределение электрического потенциала мембраны и ее границ можно считать важным фактором, определяющим скорость переноса веществ через мембрану.

Поскольку живая клетка, как термодинамическая система, обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией, то транспорт веществ через мембрану является неотъемлемым свойством существования клетки. Он обеспечивает биоэнергетику клетки (синтез АТФ), формирование специальных структур внутри клетки, осуществляет действие лекарственных веществ на цитоплазму, саму мембрану, ферментативные системы и рецепторы.

Различают два вида транспорта веществ: пассивный, когда частицы переносятся по градиенту без затрат энергии, и активный, требующий затрат химической энергии, которая освобождается при гидролизе АТФ.

По пути простой диффузии в клетке обеспечивается проницаемость мембран для 0₂ и СО₂, большинства ядов и лекарственных веществ. Это самый медленный и мало управляемый процесс. Для переноса питательных веществ и необходимых для жизнедеятельности ионов эволюция выработала специальные белковые поры (каналы). Диффузия через поры происходит при возбуждении мембраны. В этом случае в ней открываются специальные каналы, через которые по градиенту устремляются потоки веществ и ионов.

Ряд веществ служит ионофорами - переносчиками катионов. К ним относится циклический антибиотик валиномицин (подвижный переносчик). Он представляет собой нейтральную молекулу с высокой поляризуемостью, образующую с ионами К⁺сферические комплексы, которые снижают барьер для прохождения иона. 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 грамицидин, который образует в мембране полярную пору. Транспорт, облегченный образованием пор, имеет эстафетный характер - пора может быть образована несколькими последовательно расположенными молекулами, между которыми происходит передача иона. Ион может переноситься не одной, а сразу несколькими молекулами ионофора - это коллективный процесс.

Пассивный транспорт описывается уравнением Нернста - Планка.

Ф = -uRT(dC/dx) – ucZF(dφ/dx)

где: Ф - поток вещества,

u - подвижность иона, молекулы,

R - универсальная газовая постоянная,

Т - температура по шкале К⁰,

dC/dx - концентрационный градиент,

С - концентрация в молях,

Z - величина заряда иона,

F - число Фарадея,

dφ/dx - 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 используют уравнение Фика:

Ф = -D(dC/dx)

В этом виде уравнение Фика определяет поток незаряженных частиц через единичную площадь в случае, если не существует перегородки (мембраны), которая может затруднять перенос, где: D - коэффициент диффузии, dC/dx -градиент концентрации.

Для клеточной мембраны: dx = L - толщина мембраны, dC = Сi - Сe, где Сi и Сe - концентрация частиц внутри и снаружи клетки. В уравнение Фика для клетки добавляется коэффициент К (коэффициент распределения), который определяет соотношение концентрации частиц между средой и мембраной и в конечном итоге скорость переноса. Учитывая это, уравнение Фика для клеточной мембраны представляется в виде:

Ф = -((DK)/L)(Ce – Ci)

DK / L = Р - называют эффективным коэффициентом проницаемости, тогда Ф = - Р (Сe- Ci)

Мембраны обладают также селективной проницаемостью, т.е. различным коэффициентом проницаемости, который при простой диффузии определяется коэффициентом распределения К, а в случае облегченной диффузии - избирательностью канала и переносчика.

Хорошо известны четыре основные системы активного транспорта ионов в живой клетке: 1. Na⁺-K⁺, 2. Са⁺⁺, 3. Н⁺, 4. Протонный (в дыхательной цепи митохондрий). Во всех случаях перенос ионов через мембрану производится за счет энергии гидролиза АТФ (специальными ферментами переносчиками), называемыми транспортными АТФ-азами. Мы рассмотрим только механизмы Na⁺-К⁺-АТФ-азы. Несмотря на значительные различия в структуре Na⁺-K⁺ и Са⁺⁺- АТФ-аз, в механизме их осуществления много общего.

Ионы Na⁺ и К⁺ определяют водно-электролитный обмен организма. В норме в живых клетках животных существует асимметрия концентраций этих ионов внутри (i) и снаружи (е) клетки.

[К⁺]i > [К⁺]e

[Na⁺]i < [Na⁺]e

Клеточная мембрана одинаково проницаема для обоих ионов. Поэтому, для поддержания асимметрии осуществляется противо-градиентный перенос при помощи Na+-K+- АТФ-азы или Na+- K+ насоса (помпы), за счет энергии освобождающейся при гидролизе АТФ

ФТФ + HOH → АДФ + Ф_Н + ΔG, где Ф - неорганический фосфат.

Основные этапы работы АТФ-азы:

1. Присоединение 3 ионов Na+ и фосфорилирование фермента внутри клетки.

2. Транслокация I - перенос центра связывания ионов Na+ наружу.

3. Отсоединение 3 ионов Na+ и замена их на два К.+

4. Отщепление остатков фосфорной кислоты.

5. Транслокация II - перенос центра связывания ионов К+ внутрь клетки.

6. Отсоединение 2 К+ и присоединение 3 Na+, затем фосфорилирование фермента.

Перенос 2 К+ внутрь клетки и выброс 3 Na+ наружу приводит в итоге к переносу одного дополнительного положительного заряда из цитоплазмы на поверхность мембраны. Поэтому внутриклеточное содержимое имеет знак (-), а внеклеточное (+). В целом энергия, которая освобождается при гидролизе АТФ для осуществления активного транспорта Na+ и К+, определяется формулой:

ΔG = 2RT ln([K⁺]_e/[K⁺]_i) + 3RT ln([Na⁺]_i/[Na⁺]_e) + ZΔφ

где первое слагаемое определяет энергию для противоградиентного переноса двух ионов К+, второе - энергию для противоградиентного переноса трех ионов Na+, третье - энергию на преодоление сил электрического поля, возникающего на мембране за счет активного транспорта. Все обменные процессы между кровью и тканевой жидкостью и наоборот осуществляются в капиллярах за счет трансцеллюлярного переноса. Эпителий капилляра хорошо проницаем для воды и электролитов. Перенос осуществляется по градиенту, создаваемому суммой статического и осмотического давления.

Из гемодинамики известно, что статическое давление, создаваемое за счет работы сердца, по длине капилляра уменьшается от артериального (А) к венозному (В) концу капилляра, причем градиент этого давления значителен. Статистическое давление всегда направлено из крови к тканевой жидкости.

Осмотическое давление в капиллярах определяется двумя причинами:

1.Содержанием низкомолекулярных соединений в крови и тканевой жидкости. Величина этого давления довольно значительна (до 8 атм.), однако, оно практически одинаково в этих средах и не создает градиента давления.

2.Содержанием коллоидных белков в плазме крови. Величина этого осмотического давления незначительна, порядка 40-50 см. вод. ст., однако, разность этих давлений в крови и тканевой жидкости значительна. Эта разность определяет так называемое коллоидно-осмотическое (онкотическое) давление, которое играет существенную роль в водно-электролитном обмене в капиллярах. Коллоидно-осмотическое давление по всей длине капилляра постоянно и направлено из тканевой жидкости в кровь.

Общее давление в любой точке капилляра определяется суммой статического и коллоидно-осмотического давления. У артериального участка капилляров статическое давление превалирует над коллоидно-осмотическим. Соответственно и вода устремляется из кровяного русла в лимфу и соединительную ткань. Напротив, в венозных участках капилляров статическое давление оказывается не только меньше, чем в артериальном их конце, но и уступает по величине коллоидно-осмотическому давлению. Вследствие этого вода из соединительной ткани и лимфы движется в плазму крови. В центральных участках капилляра коллоидно-осмотическое и статическое давления взаимно компенсируют друг друга, что с точки зрения термодинамики соответствует стационарному состоянию, характерному для нормального здорового организма. При ряде патологических процессов стационарное состояние нарушается. Нарушения могут быть следствием либо изменения статического давления крови, либо снижения суммарного количества белков крови, и, соответственно, падения коллоидно-осмотического давления. Повышение статического давления крови, в частности, имеет место при тяжелых гипертонических состояниях. Падение коллоидно-осмотического давления плазмы крови наблюдается при острых кровопотерях, при шоковых состояниях и ожогах, а также при острой лучевой болезни. В последнем случае происходит сильное увеличение проницаемости капилляров, стенки которых, вследствие наступающей при облучении деполимеризации тканевых структур, пропускают высокомолекулярные вещества из кровяного русла в окружающие ткани. Резкие нарушения водного обмена приводят, в конечном счете, к явлениям отека. В его основе может лежать не только повышение гидростатического или понижение коллоидно-осмотического давления крови, но и изменение гидрофильности соединительной ткани, в частности, возникающее при нарушении щелочно-кислотного равновесия.