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.