Структура и свойства биологических мембран

Поступление чужеродных веществ в организм, их распределение между органами и тканями, биотрансформация (метаболизм) и выделение предполагают их проникновение (транспорт) через ряд биологических мембран.

Мембранные системы организма имеют одинаковое строение, но отличаются по функциональным свойствам. Они представляют собой подвижные структуры, образованные белково-фосфолипидными комплексами и обладающие ограниченной проницаемостью для различных соединений. В настоящее время за основу принимается гипотеза трехслойной мембраны Доусона – Даниелли.

Два белковых слоя, из которых один обращен в сторону цитоплазмы, а другой – наружу, заключают слой двойного липида (рис. 34). Снаружи ли-

Рис. 34. Схема молекулярного строения биологической мембраны:

1 – молекулы белка; 2 – гидрофильная часть молекулы; 3 – углеродные цепи; 4 – двойной слой фосфолипидных молекул; 5 – олигосахариды мембраны.

пидных слоев с плавающими в них белками находится «карбогидратная шуба», состоящая из разных олигосахаридов, полимеров, включающих десятки типов моносахаридов, в том числе глюкозу. Одна из предполагаемых функций этой «шубы» заключается в том, что она способна отличать клетки собственного организма от чужих. Двойной липидный слой составляет структурный каркас.

Молекулы фосфолипида ориентированы таким образом, что их гидрофильные группы направлены в сторону белка, а гидрофобные поверхности соприкасаются. Толщина каждого слоя 2–4 нм. Предполагают, что в клеточных мембранах существуют ультрамикроскопические поры, образованные гидрофильным веществом, причем мембраны и поры имеют определенные электрические заряды. На мембране или внутри нее могут располагаться системы ферментов, состоящие из белковых молекул. Белки, связанные только с поверхностью мембраны (внешней или внутренней), называют «внешними».

Белки, которые проникают внутрь, называют «внутренними». Мембрана – не статичная структура. Соотношение липидов и белков в ней легко изменяется в соответствии с функциональными потребностями. Внутри структуры мембраны у липидов и белков довольно большая свобода передвижения.

Изучение функции клеточных и внутриклеточных мембран позволило выделить специальную группу веществ, оказывающих специфическое мембранотоксическое действие, так называемые мембранотоксины.К их числу относят экзогенные и эндогенные вещества, обладающие фосфолипазной активностью, в результате которой происходит дезорганизация и разрушение основной жидкокристаллической структуры мембран с последующей гибелью клеток. С другой стороны обнаружены некоторые соединения, способствующие стабилизации мембран (холестерин, кортизон, аминазин, салицилаты).

Повреждение мембранных структур клеток является одной из основных причин нарушения их жизнедеятельности. Существует несколько механизмов повреждения мембран. Наиболее существенны четыре: разрушение собственной фосфолипазой, активируемой ионами кальция; перекисное окисление, активируемое ионами Fe²⁺, ультрафиолетовым излучением и кислородом; механическое повреждение и разрушающее действие антител.

При острых отравлениях наиболее распространенной причиной повреждения является перекисное окисление липидов в мембранах митохондрий, липосом и пр., в результате чего происходит увеличение проницаемости мембран для ионов, в первую очередь Н⁺ (или ОН^–), затем K⁺, Na⁺, Ca²⁺. Следствием этого могут быть осмотические эффекты и разрывы мембран с выходом ферментов. Дальнейшее окисление мембран идет к полному их разрушению и гибели клеток.

Повреждение мембран при гипоксии, сопровождающее многие заболевания химической этиологии, связано с недостатком энергии, выделяющейся при метаболизме АТФ. Механизм повреждения, вероятно, таков: гипоксия ® деэнергизация и падение мембранного потенциала митохондрий ® выход Са²⁺ ® активирование фосфолипазы ® гидролиз фосфолипидов ® увеличение ионной проницаемости ® разобщение окислительного фосфорилирования.

Таким образом, повреждение мембранных структур происходит по универсальным механизмам, которые приводят к изменению их проницаемости для ионов, что в свою очередь обусловлено изменением поверхностного заряда на мембране и изменением степени гидрофобности липидной фазы мембран. Оба эти фактора действуют одновременно, хотя их относительный вклад в итоговое изменение проницаемости мембран в разных случаях различен. Эти же факторы определяют в конечном счете неспецифическое действие на проницаемость мембран различных соединений, например таких, как стероиды, белки и многие другие природные соединения.