Химический состав мембран. Липидные и белковые компоненты. Структура молекулы фосфолипида. Вода, как структурный компонент мембраны.

Биологические мембраны построены в основном из белков, липидов и углеводов. Белки и липиды составляют основную часть сухой массы мембран. Доля углеводов обычно не превышает 10-15%, причём они связаны либо с молекулами белка (гликопротеины), либо с молекулами липидов (гликолипиды). В мембранах различного происхождения содержание липидов колеблется от 25 до 75% по массе по отношению к белку.

Липиды представлены тремя основными классами: фосфолипиды - 60, гликолипиды-10 и стероиды-30.

Наиболее широко представленными в мембранах являются фосфолипиды, а именно: глицерофосфолипиды и сфигнолипиды. В молекулах фосфолипидов выделяют полярную головку и 2 неполярных углеводородных хвоста. Полярная головка образована одним из таких соединений, как холин, треонин, этаноламин, изонит, серин, а также остатком фосфорной кислоты и молекулы глицерина или сфингозина и имеет либо нейтральный, либо отрицательный заряд; положительно заряженные головки фосфолипидов в природе отсутствуют.

Углеводородные хвосты представлены неразветвлёнными цепями жирных кислот с чётным (реже нечётным) числом атомов углерода. Чаще всего встречаются стеариновая, пальмитиновая, олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты. Один из хвостов содержит одну или более цис-двойных связей, в то время как у другого двойных связей нет. Каждая двойная связь вызывает появление изгиба в углеводородном хвосте, что значительно затрудняет гидрофобные взаимодействия между ними.

В таких структурах между молекулами фосфолипидов осуществляется два типа взаимодействия: электростатические и гидрофобные. При этом гидрофобные хвосты стремятся избегать взаимодействия с водой и укрываются в безводной внутренней области мицеллы или бислоя, а полярные головки, напротив, образуют водородные связи с молекулами воды. С термодинамической точки зрения такая структура энергетически более выгодна, так как обладает минимумом свободной энергией, а в целом система избегает неблагоприятного изменения энтропии.

Белки входящие в состав мембраны делят на периферические и интегральные белки. Периферические белки расположены на поверхности липидного бислоя и удерживаются за счёт электростатических взаимодействий между противоположными полюсами полярных групп липидов и белков. Белки прочно связанные с бислоем и интегрированные в него, получили название интегральных. Гидрофильные участки этих белков взаимодействуют с водой и головками липидов, а гидрофобные участки погружены в мембрану и взаимодействуют с углеводородными цепями липидных молекул за счёт ванн-дер-вальсовых сил. По другой классификации периферические белки часто называют монотопическими, а интегральные – битопическими (белки, пересекающие бислой один раз) и политопическими (белки, пересекающие липидный бислой несколько раз).

Мембранные белки выполняют целый ряд жизненно важных функций. Так, высокая избирательная проницаемость мембран достигается благодаря тому, что специальные белки образуют каналы, пропускающие лишь определенные ионы и молекулы, а также насосы (помпы), способные переносить вещества против градиента их концентраций. Мембранные белки-рецепторы обеспечивают передачу через мембрану внутрь клетки сигналов от внешних эффекторов, таких как гормоны, нейромедиаторы или чудеродные антигены, для которых мембрана является непроницаемой. Многие реакции протекают не в растворе, а на поверхности клеток или органелл и ускоряются также мембранными белками – ферментами и антигенами, прикрепленными к мембранам.

Вода. Особенности взаимодействия основных молекулярных компонентов мембран с водой определяют не только многие структурно-функциональные свойства мембран, но и являются решающими в процессе формирования самих мембран и стабилизации мембранных систем. Воду, входящую в состав мембран, подразделяют на связанную, свободную и захваченную. Наименьшей подвижностью отличается связанная вода, присутствующая в виде одиночных молекул в углеводородной зоне мембран. Основная часть связанной воды – вода гидратных оболочек. Гидратные оболочки образуются главным образом вокруг полярных частей молекул липидов и белков. Эта вода осмотически неактивна, она не способна растворять какие – либо вещества.

Слабосвязанная вода по подвижности и некоторым другим свойствам занимает промежуточное положение между водой гидратных оболочек и жидкой свободной водой.

Свободная вода входит в состав мембран в виде самостоятельной фазы и обладает изотропным движением, характерным для жидкой воды. Захваченная вода, обнаруживаемая иногда в центральной части мембран между липидными бислоями, по параметрам подвижности соответствует жидкой свободной воде, но медленно обменивается с внешней водой из-за физической разобщённости.

 

 

17. Текучесть липидного бислоя. Микровязкость мембран. Уравнения Стокса – Эйнштейна. Фазовые переходы в мембране. Значимость жидко – кристаллического состояния мембран для их функционирования.

Гидрофобный эффект препятствует выходу молекулярных компонентов мембраны в водную фазу за пределы мембраны. В то же время силы межмолекулярного взаимодействия не мешают молекулам в мембранах обмениваться местами друг с другом. Наиболее распространенными типами движения липидов в мембране являются: латеральная миграция (диффузия) в пределах монослоя; вращение молекул липидов вокруг собственных осей; движение хвостов молекул липидов; переход молекул липидов из одного монослоя в другой (флип-флоп переход).

Под латеральной миграцией понимают перемещение молекул в плоскости мембраны. В жидкокристаллической структуре эти молекулярные перемещения совершаются скачками. Между частотой (V) таких перемещений, площадью (S), занимаемой молекулой в мембране и квадратом среднего расстояния (X²), которое проходит молекула за время t, установлены следующие соотношения:

и ,

Где D – коэффициент латеральной диффузии молекулой, измеряемый в м²/с.

Молекулы липидов способны вращаться вокруг своих продольных осей. Скорость вращательного движения довольно велика.

Кроме того, большой гибкостью обладают и углеводородные цепи фосфолипидов. Максимальная подвижность хвостов липидов наблюдается в центре бислоя, а раименьшая – около полярной головки липида.

Следующим, наиболее ограниченным, типом перемещения в мембране молекул липидов является флип-флоп перемещение из одного монослоя мембраны в другой.

Белковые молекулы, связанные с липидным бислоем, способны вращаться вокруг собственной оси, перемещаться в плоскости липидного бислоя. Однако, в силу энергетических причин, они не способны переходить из одного монослоя в другой.

Коэффициент диффузии белков (D_б) рассчитывается по уравнению:

,

Где D_л – коэффициент диффузии липидов, F_л и F_б – площади, занимаемые в мембране липидами и белками.

При физиологических условиях мембранные системы проявляют свойства двумерной жидкости. Вязкость этих сред формально можно определить исходя из уравнения Стокса – Эйнштейна:

,

Где r – радиус диффундирующей молекулы.

При понижении температуры до определенного значения, искусственный липидный бислой переходит из жидкого состояния в гелеобразное. Такое изменение состояния липидного бислоя называется фазовым переходом. В момент фазового перехода значительно увеличивается подвижность липидов и, как результат, изменяется проницаемость мембран для веществ и ионов.

Фазовый переход липидов является эндотермическим процессом. Липидным структурам присущ литропный мезоморфизм и термотропный мезоморфизм. Оба свойства связаны между собой. Фазовый переход липидов осуществляется при температуре, значение которой зависит от содержания воды в системе.

В природных мембранах температура фазового перехода определяется физическими и химическими характеристиками жирных кислот. Дело в том, что температура плавления жирной кислоты находится в обратной зависимости от степени ненасыщенности. Чем больше ненасыщенных кислот, тем более она легкоплавка.

На температуру плавления жирной кислоты оказывает влияние длина углеводородной цепи, а также число атомов углерода в цепи.

Исследования на модельных мембранах позволили понять зависимость температуры фазовых переходов мембранных липидов от химических особенностей входящих в их состав жирных кислот.

Оказалось, что цепи жирных кислот, не имеющие двойных цис-связей, легко укладываются параллельно друг другу и образуют кристаллические структуры. Двойные цис-связи создают изгиб в алифатической цепи, который мешает плотной упаковке молекул в бислое, так как увеличиваются межмолекулярные расстояния, что снижает эффективность гидрофобных взаимодействий между соседними хвостами липидов.

Способность к кристаллизации возрастает с увеличением длины углеводородных хвостов липидов, так как в этом случае, напротив возрастает эффективность межмолекулярных взаимодействий между ними.

В природных мембранах, содержащих различные липиды и белки, трудно ожидать проявления в чистом виде эффектов, связанных с фазовыми превращениями липидов при чётко выраженной температуре.

Таким образом, многокомпонентная система не только не плавится в широком температурном интервале, но и при разных температурах имеет разный состав жидких и твердых фаз.

Биологическое значение этой особенности очевидно. Если бы липидные бислои были образованы липидами только одного типа, то мембраны обладали бы строго определенной температурой плавления и могли бы отвечать на колебания температуры изменением фазового состояния только по принципу все или ничего. Благодаря многокомпонентному составу, мембраны клеток могут претерпевать постепенные изменения фазового состояния в широком интервале температур, обеспечивая тем самым более тонкий контроль над функциями клеток.