Состав биологических мембран

Липиды мембран

Липидная молекула состоит из головки и двух подвижных хвостов. Головка является полярной (заряженной) и при нейтральных рН в целом нейтральны, на нее приходится четверть всей длины молекулы.

Хвосты – длинные, неполярные, гидрофобные цепи, построенные из атомов углерода и водорода (остатки жирных кислот).

Липиды в мембране при естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии. Вязкость липидного бислоя на два порядка выше вязкости воды и приблизительно равна вязкости растительного масла. При понижении температуры происходит фазовый переход, в результате которого липиды бислоя превращаются в гель (твердокристаллическое состояние). При фазовых переходах в бислое могут образовываться каналы, по которым через мембраны способны проходить различные ионы и низкомолекулярные соединения, размеры которых меньше 1-3 нм.

Лабильность (подвижность) мембранных липидов и фазовые переходы в них определяются их конформационными свойствами (конформация – это внутренний поворот атомных групп вокруг единичных связей). Благодаря конформации липидов в жидкой фазе их молекулы могут образовывать полости (кинки), в которые способны внедряется молекулы диффундирующего вещества. Перемещение кинка может приводить к диффузии молекулы поперек мембраны.

Важнейшие свойства бислоя – способность к самосборке, защитные, текучесть, асимметричность.

Белки мембран

Большинство специфических функций мембраны обеспечиваются белками. Белки выступают в качестве рецепторов и ферментов. С их помощью осуществляется транспорт многих веществ через мембрану, они же принимают участие в генерации биопотенциалов.

В зависимости от степени гидрофобности белки либо частично, либо полностью погружены в липидный слой, либо пронизывают его насквозь. Периферические белки удерживаются в мембране за счет слабых взаимодействий. Интегральные белки, составляющие основную массу мембранных белков, глубоко погружены в липидной слой.

Большинство мембранных белков, так же как и липидов, способны свободно перемещаться в плоскости мембраны. Возможен переход молекул белка и липидов с одной стороны мембраны на другую, известный как «флип – флоп» (перескок).

Вода мембран

Вода является важным структурным компонентом мембран, который определяет не только многие структурно – функциональные свойства мембран, но и является решающим фактором в процессе формирования самих мембран и стабилизации мембранных систем. Вода в составе мембран подразделяется на следующие виды.

· Связанная вода – присутствует в виде одиночных молекул в углеводородной зоне мембран. Отличается наименьшей подвижностью, и не способна растворять какие – либо вещества.

· Свободная вода – входит в состав мембран в виде самостоятельной фазы и обладает изотропным движением.

· Захваченная вода – обнаруживается в центральной части мембраны между липидными бислоями. Эта вода медленно обменивается с внешней средой.

Биологические мембраны обладают высокой прочностью на разрыв, устойчивостью и гибкостью. По электроизоляционным свойствам они значительно превосходят многие изоляционные материалы, применяемые в технике. Общая площадь мембран в органах и тканях достигает огромных размеров.

 

Пассивный и активный транспорт веществ через мембрану

Пассивный транспорт

Пассивный транспорт осуществляется в результате диффузии веществ в сторону меньшего электрохимического потенциала(в направлении электрохимического градиента) и проходит без затрат энергии.

Различают несколько типов пассивного транспорта:

1.Простая диффузия.

Простая диффузия характерна для О₂ (кислород), СО₂ (углекислый газ), ядов и лекарств. Процесс идет очень медленно и плохо контролируется.

2.Перенос через каналы (поры).

Перенос через поры характерен для переноса питательных веществ или необходимых для жизнедеятельности клетки ионов.

3. Транспорт с помощью переносчиков за счет диффузии переносчика вместе с веществом в мембране.

На поверхности мембраны клетки существует двойной слой зарядов, который создаёт разность потенциалов между внутри и вне клеточными пространствами. Она приблизительно равна минус 70 милливольт. Эта разность потенциалов обусловливает наличие градиента концентрации различных ионов. Следует отметить, что избыток заряда с каждой стороны мембраны имеется только на её поверхности, жидкость с каждой стороны мембраны электрически нейтральна.

Основное уравнение диффузии веществ через мембрану имеет вид:

- уравнение Нернста

где – концентрация ионов внутри и вне клетки

– абсолютная температура, n – валентность вещества

 - газовая постоянная

 - число Фарадея.

Знак «минус» берут для положительных ионов, а знак «плюс» для отрицательных.

Представим таблицу концентрации важнейших ионов во вне ( ) и внутри ( ) клеточном пространствах:

Ион	Концентрация ионов		Потенциал Нернста (мВольт) при Т=310 К.
	С i (ммоль/л)	Се (ммоль/л)
Na+ K+ Cl -	15 150 9	145 5 125	+60 -90 -70

 

Для иона натрия мВ. Этот потенциал далек от потенциала минус 70 мВ, поэтому ионы натрия стремятся диффундировать из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (внутрь клетки).

Для иона калия мВ. Это значение не сильно отличается от потенциала минус 70 мВ. Однако потенциал внутри клетки недостаточно отрицателен, чтобы поддерживать состояние равновесия. Значит, ионы калия диффундируют из клетки. В то же время электрический градиент приводит к тому, что ионы диффундируют и в противоположном направлении (внутрь клетки). Суммарный диффузионный эффект приводит к дрейфу ионов калия наружу.

Для иона хлора мВ. Этот потенциал равен потенциалу мембраны, поэтому ионы хлора находятся в равновесии, т.е. ионы хлора диффундируют из клетки и обратно с одинаковыми скоростями, а разность концентраций поддерживается за счет разности потенциалов.

Активный транспорт ионов

Активный транспорт ионов происходит в сторону большего электрохимического потенциала и идет с затратой энергии.

Если бы диффузия была единственным процессом, управляющим ионами внутри и вне клетки, то имелось бы движение внутрь ионов натрия, а наружу ионов калия; относительные концентрации их менялись бы, пока не было бы достигнуто состояние равновесия. Этого не происходит, так как существует активный перенос ионов и через мембрану. Этот активный перенос вызван механизмом (комплексом химических реакций), именуемый калий – натриевым насосом. Действие насоса состоит во впрыскивании ионов в клетку, и выведении ионов из неё. За один такт работы насоса два иона входят в клетку, а три иона  выходят из клетки. Этот процесс идет противоположно направлению нормальной диффузии обоих веществ. Для функционирования насоса необходимо подведение энергии. Эту энергию дают метаболические процессы внутри клетки. Детали действия насоса будут рассмотрены при изучении физиологии и биохимии.