Структура біологічних мембран

Перша модель будови біологічних мембран була запропонована в 1902 р. Було помічено, що через мембрани найкраще проникають речовини, добре розчинні в ліпідах, і на підставі цього було зроблено припущення, що біологічні мембрани складаються з тонкого шару фосфоліпідів. Насправді, на межі розподілу полярного і неполярного середовища (наприклад, води і повітря) молекули фосфоліпідів утворюють мономолекулярний (одномолекулярний) шар. Їх полярні "голови" занурені в полярне середовище, а неполярні "хвости" орієнтовані убік неполярного середовища. Тому і можна було припустити, що біологічні мембрани побудовані з моношару ліпідів.

У 1925 р. Гортер і Грендел показали, що площа моношару ліпідів, екстрагованих з мембран еритроцитів, у два рази більша сумарної площі еритроцитів. Гортер і Грендел екстрагували ліпіди з гемолізованих еритроцитів ацетоном, потім випаровували розчин на поверхні води і вимірювали площу, що утворилася, мономолекулярної плівки ліпідів. На підставі результатів цих досліджень була висловлена ідея, що ліпіди в мембрані розташовуються у виді бімолекулярного шару (мал. 1.1).

Цю гіпотезу підтвердили дослідження електричних параметрів біологічних мембран (Коул і Кертіс, 1935 р.): високий електричний опір » l0⁷ Ом×м² і велика ємність » 0,5×10^-2 Ф/м².

Біологічну мембрану можна розглядати як електричний конденсатор (мал. 1.1), у якому пластинами є електроліти зовнішнього і внутрішнього розчинів (позаклітинного і цитоплазми) із зануреними в них головами ліпідних молекул. Провідники розділені діелектричним шаром, утвореним неполярною частиною ліпідних молекул – подвійним шаром їхніх хвостів. Ліпіди – діелектрики з діелектричною проникністю ε » 2.

Ємність плоского конденсатора:

де електрична постійна ε₀ = 8,85 × 10¹² Ф/м, d – відстань між пластинами конденсатора, S – площа пластини.

Питома ємність (на одиницю площі):

Звідси можна знайти відстань між пластинами конденсатора, що відповідає в нашому випадку товщині ліпідної частини мембрани,

Це саме відповідає один по одному величині товщини неполярної частини бімолекулярного шару ліпідів, складених певним чином.

Однак мембрана – це не тільки ліпідний бішар. Відомі експериментальні дані, що свідчили про те, що біологічна мембрана складається і з білкових молекул. Наприклад, при вимірюванні поверхневого натягу клітинних мембран було виявлено, що вимірювані значення коефіцієнта поверхневого натягу значно ближчі до коефіцієнта поверхневого натягу на межі поділу білок - вода (близько 10^-4 Н/м), ніж на межі поділу ліпід - вода (близько 10^-2 Н/м). Ці протиріччя експериментальним результатам були усунуті Даніеллі і Девсоном, що запропонували в 1935 р. так звану бутербродну модель будови біологічних мембран, що з деякими несуттєвими змінами протрималася в мембранології протягом майже 40 років. Відповідно до цієї моделі мембрана – трьохшарова. Вона утворена двома розташованими по краях шарами білкових молекул з ліпідним бішарем посередині; утвориться щось подібне до бутерброда: ліпіди, на зразок олії, між двома "скибами" білка.

Однак у міру нагромадження експериментальних даних довелося зрештою відмовитися і від бутербродної моделі будови біологічних мембран.

Величезну роль у розвитку уявлень про будову біологічних мембран зіграло усе більше проникнення в біологію фізичних методів дослідження.

Велику інформацію про структуру мембран, про взаємне розташування атомів мембранних молекул дає рентгеноструктурний аналіз, заснований на дифракції короткохвильових рентгенівських променів на атомарних структурах. Рентгеноструктурний аналіз дозволяє виявляти упорядкованість у розташуванні атомів і визначати параметри упорядкованих структур (наприклад, відстані між кристалографічними площинами). Дослідження дифракції рентгенівських променів на мембрані підтвердили відносно упорядковане розташування ліпідних молекул у мембрані – подвійний молекулярний шар з більш-менш паралельно розташованими жирнокислими хвостами, дали можливість точно визначити відстань між полярною головою ліпідної молекули і метиловою групою наприкінці вуглецевого ланцюга.

Найбільші успіхи в розкритті особливостей будови біологічних мембран були досягнуті в електронно-мікроскопічних дослідженнях. Як відомо, світловий мікроскоп не дозволяє розглянути деталі об'єкта, менші приблизно половини довжини світлової хвилі (близько 200 нм). У світловому мікроскопі можна розглянути окремі клітини, однак він зовсім непридатний для вивчення біологічних мембран, товщина яких у 20 разів менше межі роздільної здатності світлового мікроскопа. Роздільна здатність мікроскопа, обмежена явищем дифракції. Тому, чим менша довжина хвилі в порівнянні з деталями досліджуваного об'єкта, тим менше перекручування. Роздільна здатність пропорційна довжині хвилі.

В електронному мікроскопі замість світлового пучка на досліджуваний об'єкт направляється пучок електронів, розігнаних до великих швидкостей.

Відомо, що електронам з високими швидкостями теж властиві хвильові властивості, у тому числі явище дифракції. Однак при досить великих швидкостях, відповідно до формули де Бройля, довжина хвилі мала і відповідно мала межа дозволу. Так, якщо електрони прискорюються електричним полем з напругою 10⁵ В, їхня швидкість досягає 10⁶ м/с, довжина хвилі зменшується і межа дозволу складає в порядку 0,1 нм, що дозволяє розглянути окремі деталі будови біологічних мембран.

В електронному мікроскопі досягається збільшення в сотні тисяч разів, що дало можливість досліджувати будову клітини, клітинних органелл і біологічних мембран.

Недоліком електронної мікроскопії є деформація живого об'єкта в процесі дослідження. Перед початком електронно-мікроскопічних досліджень клітина проходить через багато стадій попередньої обробки: зневоднення, закріплення, ультратонкий зріз, обробка препаратів речовинами, що добре розсіюють електрони (наприклад, золотом, сріблом, осмієм, марганцем і т.п.). При цьому досліджуваний об'єкт значно змінюється. Незважаючи на це, успіхи у вивченні клітини за допомогою електронного мікроскопа безсумнівні.

За допомогою електронної мікроскопії вдалося отримати зображення біологічних мембран, на знімках видно тришарову будову мембрани.

Нова інформація про будову мембрани була отримана за допомогою методу "заморожування-відкол-травлення". За цим методом клітину охолоджують до дуже низької температури в рідкому азоті. Охолодження проводиться з дуже великою швидкістю (близько 1000 градусів у секунду). При цьому вода, що утримується в препараті, переходить у твердий аморфний стан. Потім клітини розколюються спеціальним ножем і поміщаються у вакуум. Замерзла вода швидко випаровується, звільняючи поверхню відколу (цей процес і називають травленням). Після травлення одержують репліку (відбиток зі сколеної поверхні) і фотографують в електронному мікроскопі. Заморожені мембрани можуть при розколюванні розщеплюватися в різних напрямках, у тому числі й уздовж границі двох ліпідних моношарів, і тому можна бачити їх внутрішню будову.

Було виявлено, що білкові молекули, занурені в ліпідний бишар навіть прошивають його наскрізь. Це привело до істотної зміни уявлень про будову мембрани.

Сучасне уявлення про структуру мембрани.

Сукупність результатів, отриманих фізичними і хімічними методами дослідження, дали можливість запропонувати нову рідинно-мозаїчну модель будови біологічних мембран (Сінгер і Нікольсон, 1972 р.). Згідно Сінгеру і Нікольсону, структурну основу біологічної мембрани утворить подвійний шар фосфоліпідів, інкрустований білками (мал. 1.2). Розрізняють поверхневі (або периферичні) і інтегральні білки.

Ліпіди знаходяться при фізіологічних умовах у рідкому агрегатному стані. Це дозволяє порівняти мембрану з фосфоліпідним морем, по якому плавають білкові "айсберги". Одним з підтверджень рідинно-мозаїчної моделі є і той факт, що, як установив хімічний аналіз, у різних мембранах співвідношення між змістом білків і фосфоліпідів сильно варіює: у мієліновій мембрані білків у 2,5 рази менше, ніж ліпідів, а в еритроцитах, навпаки, білків у 2,5 рази більше, ніж ліпідів. При цьому, відповідно до сучасної моделі, співвідношення кількості білків і ліпідів у всіх мембранах повинне бути приблизно однакове. Той факт, що не вся поверхня біологічної мембрани покрита білками, показав і метод ядерного магнітного резонансу (див. § 3). Так, наприклад, більш ніж половина поверхні мембрани кишкової палички утворена полярними головами ліпідів.

Крім фосфоліпідів і білків, у біологічних мембранах містяться й інші хімічні сполуки. У мембранах тваринних клітин багато холестерину (у порівнянні кількості з фосфоліпідами і білками). Є в мембранах і інші речовини, наприклад гліколіпіди, глікопротеїди.

Рідинно-мозаїчна модель будови мембрани в даний час загальноприйнята. Однак, як усяка модель, вона дає досить спрощену картину будови мембрани. Зокрема, виявлено, що білкові "айсберги" не завжди вільно плавають у ліпідному морі, а можуть бути "заякорені" на внутрішні (цитоплазматичні) структури клітини. До таких структур відносяться мікрофіламенти і мікротрубочки (мал. 1.2). Мікротрубочки – порожні циліндри діаметром близько 300 нм з особливого білка (тубуліну) грають, очевидно, важливу роль у функціонуванні клітки.

З'ясувалося також, що не всі ліпіди в мембрані розташовані за принципом бішару. Фізичні методи дослідження показали, що ліпідна фаза мембран містить також ділянки, де ліпідні молекули не утворюють подвійний шар.

Вивченням складного хімічного складу мембран, мембранних білків і інших речовин займається біохімія. Основна область додатку біофізики – структурна основа мембрани, а саме подвійний шар фосфоліпідних молекул.

Молекула фосфоліпіду лецитіну містить полярну голову (похідну фосфорної кислоти) і довгий неполярний хвіст (залишки жирних кислот). У голові фосфоліпідної молекули лецитіну знаходяться дві заряджені групи, розташовані на деякій відстані одна від одної. Два різнойменних заряди, рівні по абсолютній величині, утворюють електричний диполь.

У мембранах містяться різні фосфоліпіди. Наприклад, у мембрані еритроцитів їх близько 20 видів. Варіює хімічна формула полярної голови молекули. У деяких фосфоліпідів голови крім двох зарядів протилежного знака, що створюють дипольний момент, але залишають молекулу в цілому нейтральною, несуть один некомпенсований негативний заряд, внаслідок чого молекула виявляється зарядженою негативно. Вуглецеві хвости фосфоліпідної молекули містять приблизно 20 атомів вуглецю, у хвості може бути 1-4 подвійних ненасичених зв'язків.

Полярні голови молекул фосфоліпідів – гідрофільні, а їхні неполярні хвости – гідрофобні. У суміші фосфоліпідів з водою термодинамічно вигідно, щоб полярні голови були занурені у воду, що складається з полярних молекул, а їхні неполярні хвости були б розташовані подалі від води. Таке розташування амфіфільних (що мають і гідрофільну, і гідрофобну частини) молекул відповідає найменшому значенню енергії Гіббса в порівнянні з іншими можливими розташуваннями молекул.

Дуже істотним є та обставина, що молекули фосфоліпідів мають два хвости. Така молекула в просторі має форму, близьку до циліндра (мал. 1.3). З молекул фосфоліпідів у водному середовищі відбувається самозбирання бішарової мембрани. Присутність молекул з одним хвостом (лізолецитін), що мають у просторі форму, близьку до конуса, руйнує клітинні мембрани (мал. 1.4). Фосфоліпідні молекули, позбавлені одного з хвостів, утворюють пори в бішаревій мембрані, порушується бар'єрна функція мембран.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Основні функції біологічних мембран.	\|	Динаміка мембран. Рухливість фосфоліпідних молекул у мембранах.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.02 сек.