Строение и модели мембран

Все клетки окружены мембранами (цитоплазматическими, или наружными клеточными мембранами). Без мембраны содержимое клетки просто бы «растеклось», диффузия привела бы к термоди­намическому равновесию, что означает отсутствие жизни. Можно сказать, что первая клетка появилась тогда, когда она смогла отделиться от окружающей среды мембраной. Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкнутых отсеков (компартаментов), каждый из них выполняет определенную функцию. ( Несмотря на разнообразие биологических функций и форм, все мембраны построены в основном из липидов и белков. Другие со­единения, встречающиеся в мембране (например, углеводы), хи­мически связаны с липидами, либо с белками. Липидная молеку­ла состоит из двух частей несущей электрические заряды (поляр­ной) головки, на которую приходится, как правило, четверть длины всей молекулы (рис. 11.1), и длинных хвостов, не несу­щих электрического заряда (гидрофобных). Хвосты липидной мо­лекулы — это длинные цепи, построенные из атомов углерода и водорода (остатки жирных кислот). Головки могут иметь разнооб­разное строение, однако они заряжены либо отрицательно, либо нейтральны. Связующим звеном между хвостом и головкой чаще всего служит остаток глицерина.

Набор мембранных белков, выполняющих специализирован­ные функции, различается в цитоплазматических мембранах и мембранах внутриклеточных структур. В то же время любая мембрана своей структурной основой имеет липидный бислой, состоящий из двух мономолекулярных пленок липидов, обращенных друг к другу гидрофобными хвостами и контактирующих с окружающей средой полярными головками (рис. 11.2). Во всех мембранах бислой выполняет две основные функции матрич­ную и барьерную. С одной стороны, бислой является структурной, основой для размещения основных рецепторных и ферментных систем клетки, с другой стороны, двойной слой липидов является преградой для ионов и водорастворимых молекул.

Первая попытка представить молекулярную организацию био­логической мембраны принадлежит Даниели и Давсону, которые в 1935 г. предложили модель клеточной мембраны.

Согласно этой модели, липиды располагались в два слоя (см. рис. 11.2), а по­верхность липидов с обеих сторон покрывали белки. По мере при­обретения новых знаний о химическом составе и физических свойствах мембран эволюционировали и представления об их ор­ганизации. В настоящее время наибольшее распространение име­ет предложенная в 1972 г. Синджером и Николсоном жидко-моза­ичная модель, в основе которой лежит все та же липидная бислойная мембрана. Эта липидная основа представляет собой как бы двумерный растворитель, в котором плавают более или менее по­груженные белки. За счет этих белков полностью или частично осуществляются специфические функции мембран — проница­емость, активный перенос через мембрану, генерация электриче­ского потенциала и т. д. Схематично жидко-мозаичная структура мембраны показана на рис. 11.3. Здесь 1 — поверхностные белки, 2 — полупогруженные белки, 3 — полностью погруженные (ин­тегральные) белки, 4 — белки, формирующие «ионный канал» 5.

В целом, мембрана является динамичной структурой. Липиды могут перемещаться в плоскости мембраны {латеральная диффу­зия), а также переходить из одного монослоя в другой (флип-флоп переходы). При этом перемещение липидов в пределах одного мо­номолекулярного слоя происходит почти в 10 млрд раз чаще, чем флип-флоп переход. Белки также могут перемещаться в плоскос­ти мембраны.

Уточнение строения биологических мембран и изучение их свойств оказалось возможным при использовании физико-хими­ческих моделей мембраны (искусственные мембраны). Наиболь­шее распространение получили три модели.

Рассмотрим первую модель — монослой липидов на границе раз­дела вода — воздух или вода — масло. На таких границах молекулы липидов расположены так, что гидрофильные
головки находятся в воде, а гидрофобные хвосты — в воздухе или в масле (рис. 11.4).

Если постепенно уменьшать площадь, занимаемую монослоем, в кон­це концов удастся получить монослой, в котором молекулы распо­ложены так же плотно, как и в одном из монослоев мембраны. При изменении состояния липидных молекул (под действием температу­ры, взаимодействия липидов с различными лекарственными препа­ратами и пр.) меняется площадь, занимаемая молекулами. Поэтому в биологических и медицинских исследованиях широко использу­ются монослои синтетических липидов, изолированных из различ­ных природных мембран.

Вторая широко использующаяся модель — бислойная липид­ная мембрана (БЛМ). Впервые такая модельная мембрана была создана в 1962 г. П. Мюллером с сотрудниками. Они заполнили отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей два водных раствора, фосфолипидом, растворенным в гептане (рис. 11.5, а). После того как растворитель и излишки липида растекаются по тефлону, в отверстии образуется бислой толщиной несколько на­нометров и диаметром около 1 мм (рис. 11.5, б). Расположив по обе стороны мембраны два электрода, можно измерить сопротив­ление мембраны или генерируемый на ней потенциал. Если по разные стороны перегородки поместить различные по химическо­му составу растворы, то можно изучать проницаемость мембраны для различных агентов, в том числе лекарственных препаратов.

Третьей известной моделью биологической мембраны являют­ся липосомы. Они представляют собой мельчайшие пузырьки (ве­зикулы), состоящие из билипидной мембраны и полученные обра­боткой ультразвуком смеси воды и фосфолипидов. Липосомы фактически являются биологической мембраной, полностью ли­шенной белковых молекул.

Схематически липосомы изображены на рис. 11.6.

Если липосомы приготовить в среде с каким-либо веществом, а закем удалить это вещество из внешней среды, то можно исследо­вать скорость выхода этого вещества из липосом данного липид-ного состава. На липосомах часто проводятся эксперименты по изучению влияния различных факторов, например состава фос-фолипидов, на свойства мембраны или, наоборот, влияния мемб­ранного окружения на свойства встраиваемых белков. В медици­не липосомы используют для доставки лекарственных веществ в определенные органы и ткани, приготавливая их в среде, содер­жащей нужное вещество. Липосомы не токсичны, полностью ус­ваиваются в организме и являются надежной липидной микро­капсулой для направленной доставки лекарства.