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).