Лекция №4.

 

Тема. Основы биофизики мембран.

Биофизика мембран – важнейший раздел биофизики клетки, имеющий большое значение для биологии. Многие процессы в живом организме протекают на биологических мембранах (БМ), а нарушение этих процессов может привести к появлению разнообразных патологий (цистинурия, наследственный сфероцитоз). Знание биофизики мембран помогает разрабатывать лекарства для лечения заболеваний, связанных с нарушением деятельности мембран.

Основные функции биологических мембран.

Элементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию, воспроизведению – живая клетка, основа строения всех животных и растений. Живые организмы являются по своей сути открытыми системами и обмениваются с окружающей средой энергией, информацией, веществом. Для правильного протекания процессов обмена между клеткой и окружающей средой необходим посредник, а именно – биологическая мембрана, которая обладает тремя основными функциями:

1. барьерная – обеспечивает избирательный, регулируемый, пассивный и активный обмены веществом с окружающей средой (регуляция скорости обмена и проницаемости мембраны для разных агентов);

2. матричная – обеспечивает определённое взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие;

3. механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур.

Кроме того, биологические мембраны выполняют и другие функции:

1. энергетическую – синтез АТФ (аденозинтрифосфат) на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластах;

2. генерацию и проведение биопотенциалов;

3. рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция).

Общая площадь всех биологических мембран в организме человека достигает десятков тысяч квадратных метров.

Структура биологических мембран.

Первая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 г. Было замечено, что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основании этого было сделано предположение, что биологические мембраны состоят из тонкого слоя фосфолипидов. На поверхности раздела полярной и неполярной среды молекулы фосфолипидов образуют мономолекулярный слой. Их полярные головы погружены в полярную среду, а хвосты – в неполярную.

В 1925 году было обнаружено, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в 2 раза больше суммарной площади эритроцитов. На основании этого было сделано предположение, что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя (бислоя) (Рис.4.1).

а)	б)
Рис. 4.1. Бимолекулярный слой липидов (а); мембрана как конденсатор (б).

Данную гипотезу подтвердили исследования электрических параметров БМ (Коул, Кертис, 1935 г.) – высокое сопротивление ( Ом*м²) и большая удельная ёмкость .

БМ можно рассматривать как электролитический конденсатор (Рис. 4.1б), в котором пластины – это электролиты (растворы наружный и внутренний) с погруженными в них полярными головами липидов. Роль диэлектрика между пластинами играет двойной слой хвостов. Его диэлектрическая проницаемость примерно равна 2.

Емкость такого плоского конденсатора

, где - диэлектрическая проницаемость вакуума, - расстояние между пластинами, - площадь перекрытия пластин. Из формулы находится удельная ёмкость конденсатора . Зная удельную ёмкость конденсатора, можно найти расстояние между пластинами конденсатора, которое в нашем случае соответствует толщине липидной мембраны между полярными «головами»:

.

Данная величина соответствует по порядку величины толщине неполярной части бимолекулярного слоя липидов. Тем не менее, существовали некоторые противоречия с опытными данными (коэффициент поверхностного натяжения имел значение порядка , как для белок-вода, а не , как для жиры-вода).

Сложность исследования малых биологических объектов (клеток) заключается в том, что обычные микроскопы не способны дать их оптическое изображение в силу их ограниченной разрешающей способности (максимум 200 нм). Современные приборы (ближнеполевой микроскоп) позволили перешагнуть дифракционный предел и рассмотреть структуру мембран буквально на уровне отдельных молекул. Согласно общепринятой теории бислой липидов содержит в себе молекулы холестерина (жирный спирт), играющие роль модификатора его жёсткости. Также они выстраивают гидрофобные хвосты фосфолипидов определённым образом. Кроме того, мембрана содержит разнообразные белки как на своей поверхности, так и проходящие её насквозь. Одна часть из этих белков может свободно перемещаться по поверхности мембраны, а другая часть жёстко закреплена. Не обижена БМ и другими соединениями – гликолипидами, гликопротеидами. Нужно отметить, что в некоторых местах мембрана состоит из монослоя липидов. Вообще говоря, химическими свойствами БМ занимается биохимия, поэтому мы не углубляемся в химические «дебри» и акцентируем усилия только на строении мембран.

Например, молекула фосфолипида лецитина содержит полярную голову (производную фосфорной кислоты) и длинный неполярный хвост (остатки жирных кислот). В голове лецитина образуется электрический диполь. Важно отметить, что сплошная мембрана формируется из двухвостых липидов, а на месте однохвостых молекул (например, лизолецитин) формируются поры.

Динамика мембран и подвижность фосфолипидных молекул в них.

Режим функционирования БМ сильно зависит от её вязкости, температуры и химического состава окружающей среды. В нормальных условиях БМ находится в жидком состоянии, а её вязкость может изменяться в пределах мПа*с. Для сравнения – вязкость воды примерно 1 мПа*с. Так как молекулы в мембране не связаны жёстко друг с другом, они обладают большой подвижностью, из-за которой возникает так называемая латеральная (боковая) диффузия. Она заключается в том, что две соседних молекулы липидов скачком меняются местами и так далее, далее. То есть, каждая молекула перемещается по всей мембране. Среднеквадратичное перемещение молекулы за время можно оценить по формуле

,

где - коэффициент латеральной диффузии. Опыт даёт, что фосфолипидная молекула в среднем смещается на 5 мкм за 1 с, а белковая – на 0.2 мкм. Это позволяет вычислить значение : и . Частота перескоков молекулы может быть оценена по формуле

,

где - площадь, занимаемая молекулой на мембране. Для молекул липидов и .

Помимо латеральной диффузии, молекулы БМ участвуют в диффузии поперёк мембраны. Данный тип диффузии называется флип-флоп. Частота перескока молекулы с одной стороны мембраны на другую порядка , то есть в миллиарды раз меньше, чем частота латеральной диффузии.

Транспорт веществ через биологические мембраны.

Пассивный транспорт веществ.

Большое значение для описания транспорта веществ через БМ имеет понятие химического потенциала. Химическим потенциалом данного вещества называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль данного вещества:

,

где - энергия Гиббса, а - количество вещества -го сорта. Вообще говоря, хим. потенциал имеет следующий смысл: количество энергии, необходимое для того, чтобы добавить в систему ещё одну частицу. Также химический потенциал можно записать как

,

где - стандартный хим. потенциал, равный хим. потенциалу данного вещества при его определённой концентрации, - текущая концентрация вещества, - универсальная газовая постоянная, - температура. Если некое вещество в растворе находится в электрическом поле, то формула переходит в

,

где - зарядовое число иона электролита, - число Фарадея. Основываясь на понятии хим. потенциала, можно классифицировать способы переноса веществ через мембрану – пассивный и активный переносы веществ через мембрану.

Пассивный транспорт – это перенос вещества из мест с большим значением электрохимического потенциала в места с его меньшим значением. Характеризуется перенос вещества плотностью потока – количеством вещества, перенесённого за единицу времени через площадку, перпендикулярную направлению переноса. Плотность потока подчиняется уравнению Теорелла:

,

где - подвижность частиц. Знак минус … Подставив в уравнение , получим уравнение Нернста-Планка:

.

Из данного уравнения видно, что существуют две причины пассивного переноса: градиент концентрации (первое слагаемое) и градиент электрического потенциала (второе слагаемое). Например, при втором члене в большем, чем первый член, возможен перенос вещества из мест с меньшей концентрацией в места с большей концентрацией. При нулевой разности потенциалов уравнение переходит в уравнение Фика:

,

где - коэффициент диффузии. По своей сути пассивная транспортировка – это диффузия.

Рассмотрим теперь процесс диффузии вещества через липидный слой (Рис. ). Для этого в уравнении аппроксимируем первую производную по координате отношением разности концентраций на краях мембраны к её толщине:

,

где - концентрация вещества у краев мембраны, а - её толщина.

Рис. Диффузия вещества через мембрану. - концентрации.

Значение величины концентрации внутри мембраны можно связать со значением концентрации вне её, введя безрамерный коэффициент распределения:

.

Тогда можно переписать уравнение Фика в следующей форме:

,

где - коэффициент проницаемости, измеряется в . Коэффициент проницаемости тем больше, чем тоньше мембрана, чем меньше её вязкость (больше коэффициент диффузии) и чем лучше в ней растворяется диффундирующее вещество. В БМ хорошо растворяются неполярные вещества – органические жирные кислоты. А полярные вещества плохо проходят через мембрану. К ним относятся соли, основания, сахара, аминокислоты, спирты. Нужно отметить, что вода хорошо проходит через липидную мембрану. Считается, что это происходит за счёт образования из-за теплового движения полостей в мембране, образованных хвостами липидов. Пассивный транспорт нерастворимых в липидах веществ также осуществляется через специальные липидные и белковые поры, размеры которых соответствуют определённым ионам или молекулам.

Кроме обычной диффузии, существует ещё так называемая облегчённая диффузия. Она заключается в том, что некая молекула, растворимая в липидах, может захватывать, например, ион, и переносить его через оболочку. Примером такой молекулы может служить валиномицин – переносчик ионов калия. Он представляет собой кольцо с расположенными снаружи неполярными группами, а внутри - полярными. Если концентрация ионов калия снаружи клетки больше, чем внутри, то вероятность захвата иона калия снаружи клетки молекулой валиномицина больше, чем внутри неё. Это приводит к тому, что концентрация калия в клетке будет постепенно повышаться и прекратится при достижении одинаковых концентраций переносимого вещества как вне клетки, так и внутри неё. Если одна и та же молекула может переносить разные вещества, то возникает конкуренция веществ, так как одни вещества будут затруднять транспорт других. Примером может служить транспорт сахаров: глюкоза переносится лучше фруктозы, а фруктоза лучше, чем ксилоза и т.д. Кроме того, существуют соединения, которые образуют с молекулой переносчиком прочную связь, из-за чего облегчённая диффузия блокируется (флоридзин блокирует транспорт сахаров).

К пассивному транспорту веществ через мембрану относится и фильтрация – движение раствора через поры из-за градиента давления. Фильтрация подчиняется закону Пуазейля:

,

где - вязкость раствора, - давление, - длина поры, - радиус поры.

Активный транспорт веществ.

Активный транспорт веществ – это перенос веществ из мест с меньшим значением химического потенциала в места с его большим значением. Активный транспорт имеет большое значение для организма, так как он поддерживает градиенты концентраций, электрических потенциалов, давлений и т.д. и т.п. Можно без преуменьшения сказать, что он сохраняет неравновесное состояние в организме и, тем самым, его жизнь.

Один из механизмов активного переноса веществ в клетку основывается на транспортных белках – своеобразных насосах. На сегодняшний день известно три типа так называемых ионных насосов, представляющих собой специальные системы интегральных белков (транспортные АТФазы). Работают ионные насосы за счёт энергии, высвобождаемой при гидролизе АТФ.

К первому типу относится K-Na АТФаза, которая за один такт выносит из клетки 3 иона натрия и приносит в неё 2 иона калия. Ко второму типу относится Са⁺⁺-АТФаза, которая выносит из клетки два иона кальция. К третьему типу относится так называемая протонная помпа (Н⁺-насос), которая выносит из клетки 2 протона.

Молекулярный механизм работы ионных АТФаз до конца не известен, но известные его некоторые этапы. Схема работы Na-K насоса:

1. Присоединение 3 ионов натрия в цитоплазме к молекуле транспортного белка.

2. Реакция с участием АТФ, в результате которой фосфатная группа присоединяется к белку, а АДФ высвобождается.

3. Фосфорилирование, которое индуцирует изменение конформации белка, что приводит к высвобождению ионов натрия за пределами клетки

4. Присоединение 2 ионов калия во внеклеточном пространстве к транспортному белку, который в этой форме более приспособлен для соединения с ионами калия, чем с ионами натрия.

5. Отщепление фосфатной группы от белка, которое вызывает восстановление его первоначальной формы и освобождение 2 ионов калия в цитоплазму.

Вторичный активный транспорт ионов.

Помимо ионных насосов существуют специальные котранспортные системы, в которых перенос одного растворенного вещества зависит от одновременного или последовательного переноса другого вещества либо в том же направлении, либо в противоположном (Рис).

Рис. Схема работы транспортных белков.

Перенос другого вещества в том же направлении называется симпорт. Например, транспортировка сахаров внутрь многих бактерий происходит посредством направленного в клетку симпорта протонов и молекул сахаров.

В животных клетках котранспортируемым ионом обычно оказывается ион натрия. Например, активный транспорт некоторых сахаров и аминокислот внутрь животных клеток обусловливается градиентом натрия через плазматическую мембрану. Всасывание глюкозы в клетки кишечника и почек достигается с помощью системы симпорта, в которой глюкоза и ионы натрия связываются с различными участками на белке-переносчике глюкозы. Ионы натрия стремятся войти в клетку по своему электрохимическому градиенту и "тащат" глюкозу внутрь за собой. Наоборот, если концентрация ионов натрия во внеклеточной жидкости заметно уменьшается, транспорт глюкозы останавливается. Ионы натрия, проникающие в клетку вместе с глюкозой, выкачиваются обратно натрий-калиевой АТФазой, которая, поддерживая градиент концентрации ионов натрия, косвенным путем контролирует транспорт глюкозы. Гипотетическая схема функционирования подобной системы симпорта изображена на Рис.