Вера Подколзина - Медицинская физика

Важной частью клетки являются биологические мембраны. Они отграничивают клетку от окружающей среды, защищают ее от вредных внешних воздействий, управляют обменом веществ между клеткой и ее окружением, способствуют генерации электрических потенциалов, участвуют в синтезе универсальных аккумуляторов энергии АТФ в митохондриях и т. д.

Строение и модели мембран

Мембраны окружают все клетки (плазматические и наружные клеточные мембраны). Без мембраны содержимое клетки просто бы растеклось, диффузия привела к термодинамическому равновесию, что означает отсутствие жизни. Можно сказать, что первая клетка появилась тогда, когда она отгородилась от окружающей среды мембраной.

Внутриклеточные мембраны подразделяют клетку на ряд замкнутых отсеков, каждый из них выполняет определенную функцию. Основу структуры любой мембраны представляет двойной липидный слой (в значительной степени – фосфолипиды). Двойной липид-ный слой образуется из двух монослоев липидов так, что гидрофобные «хвосты» обоих слоев направлены внутрь. При этом обеспечивается наименьший контакт гидрофобных участков молекул с водой. Такое представление о структуре мембраны не давало ответов на многие вопросы.

В дальнейшем была предложена модель, в основе которой лежит все та же липидная биослоистая мембрана. Эта фосфолипидная основа представляет собой как бы двухмерный растворитель, в котором плавают более или менее погруженные белки. За счет этих белков полностью или частично осуществляются специфические функции мембран – проницаемость, генерация электрического потенциала и т. д. Мембраны не являются неподвижными, спокойными структурами. Липиды и белки обмениваются мембранами и перемещаются как вдоль плоскости мембраны – латеральная диффузия, так и поперек нее – так называемый флип-флоп.

Уточнение строения биомембраны и изучение ее свойств оказались возможными при использовании физико-химических моделей мембраны (искусственных мембран). Наибольшее распространение получили три такие модели. Первая модель – монослои фосфолипидов на границе разделов вода – воздух или вода – масло.

Второй широко распространенной моделью биомембраны являются липосомы, которые представляют собой как бы биологическую мембрану, полностью лишенную белковых молекул. Третьей моделью, позволившей изучать некоторые свойства биомембран прямыми методами, является биолипидная (биослой-ная липидная) мембрана (БЛМ).

Мембраны выполняют две важные функции: матричную (т. е. являются матрицей, основой для удерживания белков, выполняющих разные функции) и барьерную (защищают клетку и отдельные компартаменты от проникновения нежелательных частиц).

Измерение подвижности молекул мембраны и диффузия частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. Однако мембрана есть упорядоченная структура. Эти два факта предполагают, что фосфолипиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии. При изменении температуры в мембране можно наблюдать фазовые переходы: плавление липидов при нагревании и кристаллизацию при охлаждении. Жидкокристаллическое состояние биослоя имеет меньшую вязкость и большую растворимость различных веществ, чем твердое состояние. Толщина жидкокристаллического биослоя меньше, чем твердого.

Структура молекул в жидком и твердом состояниях различна. В жидкой фазе молекулы фосфолипидов могут образовывать полости (кинки), в которые способны внедряться молекулы дифференцирующего вещества. Перемещение кинка в этом случае будет приводить к диффузии молекулы поперек мембраны.

Перенос молекул (атомов) через мембраны

Важным элементом функционирования мембран является их способность пропускать или не пропускать молекулы (атомы) и ионы. Вероятность такого проникновения частиц зависит как от направления их перемещения (например, в клетку или из клетки), так и от разновидности молекул и ионов.

Явления переноса – это необратимые процессы, в результате которых в физической системе происходит пространственное перемещение (перенос) массы импульса, заряда или какой-либо другой физи30б ческой величины. К явлениям переноса относят диффузию (перенос массы вещества), вязкость (перенос импульса), теплопроводность (перенос энергии), электропроводность (перенос электрического заряда).