Структура и свойства биологических мембран.

В основе любого организма лежит живая клетка, только после образовании клетки возникла жизнь. Каждая клетка окружена наружной оболочкой- мембраной, которая обладает свойствами полупроницаемости. Любая клетка является открытой системой, которая обменивается с окружающей средой или другими клетками энергией, массой и информацией. Внешняя мембрана клетки называется плазмой- леммой. На ряду с внешней мембранной, клетка содержит большое число внутренних мембран, которые образуют компортаменты позволяющие разделять пространство внутри клетки так, что возникает возможность сопряженных процессов. Общая масса внутри мембраны составляет 2/3 от всей сухой массы клетки. Мембраны состоят из липидов, белков и углеводов. Органические вещества, растворимые в воде, заполняют пространство внутри клетки или между клетками. Структурной основой биологических мембран является био- молекулярный слой, образованный липидами. Его образование обусловлено особенностями взаимодействия с водой мембранных липидов. Основу мембран составляют фосфолипиды, в молекулах которых можно выделить 3 составные части:

1. Центральная- головная, содержит кислотные остатки солей фосфорной кислоты;

2. Тело молекулы- образовано молекулой глицерина;

3. Хвостовая часть- состоит из остатков жирных кислот.

Хвост молекулы представляет более длинную часть липида и содержит до 24 атомов углерода. Чем длиннее хвост молекулы, тем меньше ее жесткость и тем больше проницаемость мембран. Головная часть фосфолипида либо нейтральна, либо заряжена положительно, образование ее молекул фосфудов, гидрофильные, т.е. взаимодействуют с молекулами воды. Остатки жирных кислот, образующие хвост молекул являются гидрофобными, т.е. не могут образовывать связи с молекулами воды. Такой характер взаимодействия различных частей молекул липидов приводит к возникновению бимолекулярного слоя, т.е. головные части молекулы поворачиваются в сторону воды, а хвостовые образования, билипидный слой. Из одного миллиграмма липида образовывается 1 квадратный метр мембраны, толщиной 10 нм.

мозаика

бутербродная

Различные периферические и собственные интегральные белки. Первые находятся вблизи поверхности фосфолипидов и взаимодействуют с головной частью молекулы за счет электростатических сил. Вторые белки взаимодействуют своими гидрофобными частями с цепочками жирных кислот с хвостовой части молекулы и в этом случае встраивается в билипидный слой. Наиболее характерной для интеграции белков является спиральная или трубчатая форма, функции собственных белков разнообразны, часть их механически укрепляет билипидный слой, обеспечивая механическую прочность мембран. Кроме того, другие белки обладают специфическими рецепторными свойствами или обеспечивает транспорт ионов через мембрану. Билипидный слой составляет мембрану, представляет собой жидкие кристаллы, которые характеризуются как упорядоченностью, так и тягучестью. Биомембраны обладают высокой прочностью на разрыв, упругостью, большой поверхностью натяжения. Биомембраны представляют собой диэлектрическую способность к поляризации, т.е. к возникновению на поверхности связанных электрических зарядов. Физические и химические свойства мембран обеспечивают выполнение следующих функций:

1. Механическая функция заключается в поддержании морфологической целостности клетки, а так же клеточных структур.

2. Барьерная функция заключается в создании биологическими мембранами препятствия для свободного проникновения вещества в клетку. Селективность, т.е. пропускная способность позволяет регулировать содержание внутри клетки тех или иных ионов. Следствием барьерной функции является возможность протекания сопряжения реакций внутри клетки.

3. Матричная функция заключается в организации взаимодействия вещества внутри клетки, т.е. с помощью мембран устанавливается очередность или последовательность химической реакции внутри клетки.

4. Энергетическая функция, которая заключается в осуществлении синтеза адезинтрифосфорной кислоты АТФ на внутренних мембранах метахондрий или осуществления фотосинтеза на мембранах хлоропластов.

5. На мембранах возникает и распространяется биопотенциалы, т.е. на мембранах происходит разделение электрических зарядов.

6. Рецепторная функция мембран, позволяет за счет спецификации белков распознавать механические, зрительные, химические и другие воздействия.

Много функциональная природа мембран не позволяет создать однозначную модель создания мембраны. В 1931 г. Девисон предложил бутербродную модель мембран, согласно которой среднюю часть мембран образует билипидный слой, а внешний представляют молекулы белка. В 1972 г. была предложена мозаичная модель мембран, согласно которой белки включают в состав в виде глобул. Каждая из этих моделей частично правильно отображала модель мембран, например, бутербродная модель успешно объясняла строение и свойства нервных волокон.

В зависимости от функций мембран, соотношение между белками и жирами колеблется в широких пределах. В настоящее время используется синтетическая модель, учитывая обе основные модели. Вместе с моделями были получены искусственные мембраны.