Некоторые физические свойства и параметры мембран

С появлением электронного микроскопа впервые открылась возможность познакомится со строением мембран. Обнаружилось, что плазматическая мембрана животных и растительных клеток выглядит как трехслойная структура. На рис.11 изображена электронная микрофотография плазматической мембраны электроцита. Видно, что мембрана состоит из светлого слоя, соответствующего фосфолипидам бислоя, и двух темных слоев – они представляют собой полярные головки и белки. Толщина мембран в зависимости от вида составляет величину от 4 до 13 нм.

Рисунок 11.

Изменение поверхности молекул мембран и диффузии частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. В то же время мембрана является упорядоченной стриктурой. Эти два фактора позволяют думать, что липиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии. Вязкость липидного бислоя на два порядка больше вязкости воды и соответствуют приблизительно вязкости масла. Однако при понижении температуры происходит фазовый переход, в результате которого липиды бислоя превращаются в гель (твердокристаллическое состояние). Очевидно, что при этом меняется толщина слоя, в состоянии геля она больше чем в жидкокристаллическом. При фазовых переходах в бислое могут образовываться каналы, по которым через мембрану способны проходить различные ионы и низкомолекулярные соединения, размер которых не превышает 1 – 3 нм.

В жидкокристаллическом состоянии отдельная жирнокислотная цепь может принимать много различных конфигураций. При этом возможно образование в бислое полостей – «кинков» (от англ. kink - петля). В этих полостях могут находиться различные молекулы, захваченные из пространства вне мембраны. При тепловом движении хвостов липидов происходит движение такого «кинка», а вместе с ним и молекул поперек или вдоль нее.

Проницаемость мембран для различных веществ зависит от поверхностного заряда, который создается заряженными головками липидов, придающим мембране преимущественно отрицательный заряд. Это приводит к тому, что на границе мембрана – вода создается межфазный скачек потенциала того же знака, что и заряд на мембране. Величина этого потенциала играет большую роль в процессах связывания ионов мембраной.

Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованны поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой.

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. Так, суммарная площадь клеточных мембран печени крысы, весящей всего 6 г, составляет несколько сотен квадратных метров.