загрузка...
загрузка...
На головну

Структура біологічних мембран

  1. A. Структура комерційних листів
  2. II. СТРУКТУРА сучасних комп'ютерів
  3. III. Структура і особливості багаторічної підготовки спортсменів
  4. III. структура складної захисту від подвійного свідомості
  5. VI. Найпростіше «визначення», його призначення і структура
  6. VII.1.2) Правова структура речі.
  7. алгебраїчна структура

Перша модель будови біологічних мембран була запропонована в 1902 р Було відмічено, що через мембрани найкраще проникають речовини, добре розчинні у ліпідах, і на підставі цього було зроблено припущення, що біологічні мембрани складаються з тонкого шару фосфоліпідів. Насправді, на поверхні розділу полярної і неполярний середовища (наприклад, води і повітря) молекули фосфоліпідів утворюють мономолекулярний (одномолекулярного) шар. їх полярні "Голови" занурені в полярну середу, а неполярні "Хвости" орієнтовані в бік неполярной середовища. Тому і можна було припустити, що біологічні мембрани побудовані з моношару ліпідів.

У 1925 р Гортер і Грендел показали, що площа моношару ліпідів, екстрагованих з мембран еритроцитів, в два рази більше сумарної площі еритроцитів. Гортер і Грендел екстрагували ліпіди з гемолізованих еритроцитів ацетоном, потім випарювали розчин на поверхні води і вимірювали площу утворилася мономолекулярної плівки ліпідів. На підставі результатів цих досліджень була висловлена ??ідея, що ліпіди в мембрані розташовуються у вигляді бімолекулярного шару.

Біологічну мембрану можна розглядати як електричний конденсатор, В якому пластинами є електроліти зовнішнього і внутрішнього розчинів (позаклітинного і цитоплазми) з зануреними в них головами ліпідних молекул. Провідники розділені діелектричним шаром, утвореним неполярной частиною ліпідних молекул - подвійним шаром їх хвостів. Ліпіди - діелектрики з діелектричної проникністю e »2.

Ємність плоского конденсатора:

C = eeoS / d

де електрична постійна e0= 8,85 '1012 Ф / м, d - відстань між пластинами конденсатора, S - площа пластини.

Питома ємність (на одиницю площі):

Cуд = eeo/ D.

Звідси можна знайти відстань між пластинами конденсатора, відповідне в нашому випадку товщині ліпідної частини мембрани:

d = eeo/ Cуд = 8,85'10-12'2 / 0,5'10-2= 3,5 нм.

Це якраз відповідає за порядком величини товщині неполярной частини бімолекулярного шару ліпідів, складених певним чином.

Однак мембрана - це не тільки ліпідний бішар, вона складається і з білкових молекул. При вимірюванні поверхневого натягу клітинних мембран виявлено, що виміряні значення коефіцієнта поверхневого натягу значно ближче до коефіцієнта поверхневого натягу на межі поділу білок-вода (близько 10-4 Н / м), ніж на кордоні розділу ліпід-вода (близько 10-2 Н / м). Данієллі і Девсоном запропонували в 1935 р так звану бутербродну модель будови біологічних мембран, яка з деякими несуттєвими змінами протрималася в мембранології протягом майже 40 років. Відповідно до цієї моделі мембрана - тришарова. Вона утворена двома розташованими по краях шарами білкових молекул з ліпідним бішару посередині; стає щось на зразок бутерброда: ліпіди, на зразок масла, між двома "скибками" білка.

Однак у міру накопичення експериментальних даних довелося, врешті-решт, відмовитися від бутербродної моделі будови біологічних мембран. Величезну роль у розвитку уявлень про будову біологічних мембран зіграло все більше проникнення в біологію фізичних методів дослідження.

Велику інформацію про структуру мембран, про взаємне розташування атомів мембранних молекул дає рентгеноструктурний аналіз, заснований на дифракції короткохвильових рентгенівських променів на атомарних структурах. Дослідження дифракції рентгенівських променів на мембрані підтвердили щодо впорядковане розташування ліпідних молекул в мембрані - подвійний молекулярний шар з більш-менш паралельно розташованими жірнокіслимі хвостами, дали можливість точно визначити відстань між полярної головою ліпідної молекули і метильної групою в кінці вуглеводневого ланцюга.

Найбільші успіхи в розкритті особливостей будови біологічних мембран були досягнуті в електронно-мікроскопічних дослідженнях. Як відомо, світловий мікроскоп не дозволяє розглянути деталі об'єкту, менші приблизно половини довжини світлової хвилі (близько 200 нм). У світловому мікроскопі можна розгледіти окремі клітини, однак, він абсолютно непридатний для вивчення біологічних мембран, товщина яких в 20 разів менше межі дозволу світлового мікроскопа. Роздільна здатність мікроскопа обмежена явищем дифракції. Тому, чим менше довжина хвилі в порівнянні з деталями досліджуваного об'єкта, тим менше спотворення. Межа дозволу пропорційний довжині хвилі.

В електронному мікроскопі замість світлового пучка на досліджуваний об'єкт направляється пучок електронів, розігнаних до великих швидкостей. Відомо, що електрони з високими швидкостями теж притаманні хвильові властивості, в тому числі явище дифракції. Однак при досить великих швидкостях, згідно з формулою де Бройля, довжина хвилі мала і відповідно малий межа дозволу. Так, якщо електрони прискорюються електричним полем з напругою 105 В, їх швидкість досягає 106 м / с, довжина хвилі зменшується і межа дозволу становить близько 0,1 нм, що дозволяє розглянути окремі деталі будови біологічних мембран. В електронному мікроскопі досягається збільшення в сотні тисяч разів, що дало можливість дослідити будову клітини, клітинних органел і біологічних мембран.

Недоліком електронної мікроскопії є деформація живого об'єкта в процесі дослідження. Перед початком електронномікроскопічних досліджень клітина проходить через багато стадії попередньої обробки: зневоднення, закріплення, ультратонкий зріз, обробка препаратів речовинами, добре розсіюють електрони (наприклад, золотом, сріблом, осмієм, марганцем і т. П.). При цьому об'єкт, що вивчається значно змінюється. За допомогою електронної мікроскопії вдалося отримати зображення біологічних мембран, на знімках видно тришарове будова мембрани. Нова інформація про будову мембрани була отримана за допомогою методу "заморожування-скол-травлення". За цим методом клітку охолоджують до дуже низької температури в рідкому азоті. Охолодження проводиться з дуже великою швидкістю (близько 1000 градусів в секунду). При цьому вода, що міститься в препараті, переходить в твердий аморфний стан. Потім клітини розколюються спеціальним ножем і поміщаються в вакуум. Замерзла вода швидко переганяється, звільняючи поверхню відколу (цей процес і називають травленням). Після травлення отримують репліку (відбиток з сколеній поверхні) і фотографують в електронному мікроскопі. Заморожені мембрани можуть при розколюванні розщеплюватися в різних напрямках, в тому числі і вздовж кордону двох ліпідних моношарів, і тому можна бачити їх внутрішню будову. Було виявлено, що є білкові молекули, занурені в ліпідний бішар і навіть прошивати його наскрізь. Це призвело до істотної зміни уявлень про будову мембрани.

Сучасне уявлення про структуру мембрани. Сукупність результатів, отриманих фізичними і хімічними методами дослідження, дала можливість запропонувати нову рідинно-мозаїчну модель будови біологічних мембран (Сінгер і Никольсон, 1972 г.). Згідно Сінгеру і Нікольсону, структурну основу біологічної мембрани утворює подвійний шар фосфоліпідів, інкрустований білками.

Розрізняють поверхневі (або периферичні) і інтегральні білки.

Ліпіди знаходяться при фізіологічних умовах в рідкому агрегатному стані. Це дозволяє порівняти мембрану з фосфоліпідних морем, по якому плавають білкові "айсберги". Одним з підтверджень рідинно-мозаїчної моделі є і той факт, що, як встановив хімічний аналіз, в різних мембранах співвідношення між вмістом білків і фосфоліпідів сильно варіює: у мієлінової мембрані білків в 2,5 рази менше, ніж ліпідів, а в еритроцитах, навпаки , білків в 2,5 рази більше, ніж ліпідів. При цьому, відповідно до сучасної моделі, співвідношення кількості білків і ліпідів у всіх мембранах має бути приблизно однаково. Той факт, що не вся поверхня біологічної мембрани покрита білками, показав і метод ядерного магнітного резонансу.

Крім фосфоліпідів і білків, в біологічних мембранах містяться і інші хімічні сполуки. У мембранах клітин тварин багато холестерину (в порівнянному кількості зфосфоліпідами і білками). Є в мембранах і інші речовини, наприклад гліколіпіди, глікопротеїди.

Рідинно-мозаїчна модель будови мембрани в даний час загальноприйнятою. Однак, як будь-яка модель, вона дає досить спрощену картину будови мембрани. Зокрема, виявлено, що білкові "айсберги" не завжди вільно плавають у ліпідному море, а можуть бути "на якір" на внутрішні (цитоплазматические) структури клітини. До таких структур належать мікрофіламенти і мікротрубочки. Микротрубочки - порожнисті циліндри діаметром близько 300 нм з особливого білка (тубуліну) відіграють важливу роль у функціонуванні клітини.

З'ясувалося також, що не всі ліпіди в мембрані розташовані за принципом бислоя. Фізичні методи дослідження показали, що ліпідна фаза мембран містить також ділянки, де ліпідні молекули не утворюють подвійний шар.

Вивченням складного хімічного складу мембран, мембрану білків і інших речовин займається біохімія. Основна область застосування біофізики - структурна основа мембни, а саме подвійний шар фосфоліпідних молекул.

Молекула фосфолипида лецитину містить полярну голову (похідну фосфорної кислоти) і довгий неполярний хвіст (залишки жирних кислот). В голові фосфоліпідної молекули лецитин є дві заряджені групи, розташовані на деякій відстані один від одного. Два різнойменних заряди, рівні за абсолютною величиною, утворюють електричний диполь.

У мембранах містяться різні фосфоліпіди. Наприклад, в мембрані еритроцитів їх близько 20 видів. Варіює хімічна формула полярної голови молекули. У деяких фосфоліпідів голови крім двох зарядів протилежного знака, що створюють дипольний момент, але залишають молекулу в цілому нейтральною, несуть один негативний некомпенсований заряд, внаслідок чого молекула виявляється зарядженою негативно. Вуглеводневі хвости фосфоліпідної молекули містять приблизно 20 атомів вуглецю, в хвості може бути 1-4 подвійних ненасичених зв'язків два хвоста.

полярні голови молекул фосфоліпідів - гідрофільних, а їх неполярні хвости - гідрофобні. В суміші фосфоліпідів з водою термодинамічно вигідно, щоб полярні голови були занурені в складається з полярних молекул воду, а їх неполярні хвости були б розташовані подалі від води. Таке розташування амфіфільних (мають і гідрофільну, і гідрофобну частини) молекул відповідає найменшим значенням енергії Гіббса в порівнянні з іншими можливими розташуванням молекул.

§ 3. Динаміка мембран. Рухливість фосфоліпідних молекул в мембранах

Режим функціонування мембрани сильно залежить від: микровязкости ліпідного бішару і рухливості фосфоліпідних молекул в мембрані, фазового стану мембранних ліпідів. Відхилення біофізичних характеристик ліпідного бішару від норми пов'язано з різного роду патологіями. Важливу роль в фізіології клітини грають фазові перекоди в біологічних мембранах.

Ліпідна фаза біологічних мембран при фізіологічних умовах (температурі, тиску, хімічний склад навколишнього середовища) знаходиться в рідкому агрегатному стані. Це доведено методами флюоресцентного аналізу (з використанням флюоресцентних зондів і міток), електоонного парамагнітного резонансу (ЕПР), з використанням «спінових зондів і міток, і ядерного магнітного резонансу (ЯМР).

У нормальному стані мембрана не флуоресціює. Щоб провести дослідження мембрани флюоресцентним методом, треба вводити в мембрану молекули або молекулярні групи, здатні до флуоресценції. Як флюоресцентних зондів використовуються: ДМХ - діметіламінохалкон; МБА - 3-метоксібензантрон; АНС - 1-анілін-нафталін-сульфонат і ін.

флюоресцентний аналіздає можливість досліджувати рухливість фосфоліпідних молекул в мембрані, оцінити в'язкість ліпідної фази мембрани (так звану мікров'язкість мембран). Мікров'язкість мембрани можна оцінити по змінам спектрів флюоресценції, а також за ступенем поляризації Р флюоресцентного випромінювання при висвітленні мембрани поляризованим світлом. Зв'язок ступеня поляризації Р і микровязкости мембрани h виражається формулою Перрена і Яблонського:

,

де P0 - Ступінь поляризації світла на нерухомих молекулах, R = 8,31 Дж / (К 'моль) - універсальна газова постійна, Т [К] - температура, V - молярний об'єм флюоресцирующих молекул, i час життя збудженого стану.

Найбільш повні відомості про агрегатному стані ліпідних бішару дають методи радіоспектроскопії ЕПР і ЯМР.

Як і в випадку ЕПР, спектри ЯМР тим ширше, чим більше в'язкість і менше молекулярна рухливість досліджуваного об'єкта. Флюоресцентні, ЕПР- і ЯМР-дослідження показали, що рухливість фосфоліпідних молекул в мембрані порівняно велика, а в'язкість мала. У нормальних фізіологічних умовах ліпідна частина мембрани знаходиться в рідкому агрегатному стані. В'язкість ліпідної мембрани порівнянна з в'язкістю соняшникової олії:

h »(30-100) МПа'с

(Для порівняння: в'язкість води при 20 ° С становить 1 мПа 'с). Зміна микровязкости ліпідного оточення мембранних білків-ферментів різко позначається на їх функціонуванні. Деякі експериментальні дані свідчать про те, що канцерогенез пов'язаний зі зниженням в'язкості ліпідної фази мембрани, а при старінні в'язкість, навпаки, збільшується. Розробляються діагностичні методи, засновані на вимірі микровязкости мембран за допомогою спін-зондів.

Мікров'язкість мембрани у кінців ліпідних хвостів менше, ніж близько полярних голів, висока рухливість ліпідних молекул зумовлює латеральну (бічну) дифузію. Латеральна дифузія - це хаотичне теплове переміщення молекул ліпідів і білків в площині мембрани. При латеральної дифузії поруч розташовані молекули ліпідів стрибком міняються місцями і внаслідок таких послідовних перескоків з одного місця в інше молекула переміщається уздовж поверхні мембрани. Середнє квадратичне переміщення Sв молекул при дифузії за час t можна оцінити за формулою Ейнштейна:

Sкв = 2'(Dt)1/2

знаючи skb, Можна знайти значення коефіцієнта латеральної дифузії D.

Виявилося, що середнє квадратичне переміщення за секунду фосфоліпідної молекули по поверхні мембрани еритроцита склало близько 5 мкм, що можна порівняти з розмірами клітин. Таким чином, за секунду молекула може оббігти всю поверхню невеликої клітини. Виявлене середнє квадратичне переміщення білкових молекул склало близько 0,2 мкм за секунду.

Розраховані за формулою Ейнштейна коефіцієнти латеральної дифузії для ліпідів Dл»6'10-12 м2 / С, для білків Dб»1014 м2 / C.

Частота перескоків (число перескоків в секунду) молекули з одного місця на інше внаслідок латеральної дифузії може бути знайдена за формулою:

n = 2'31/2'D / F

де f - площа, яку займає однією молекулою на мембрані.

Для молекул фосфоліпідів Dлип= 6 10-12м2/ С, f »7'10-19м2. Для цих значень частота перескоків n = 3 '107 с-1. Кожна молекула, таким чином, в середньому зазнає десятки мільйонів перестановок в площині мембрани за секунду, тобто характерний час одного перескоку i = 10-7 - 10-8 с.

Шльопанці - Це дифузія молекул мембранних фосфоліпідів поперек мембрани.

Швидкість перескоків молекул з одного поверхні мембрани на іншу (шльопанці) визначена методом спінових міток в дослідах на модельних ліпідних мембранах - ліпосоми. Перескоки молекул з одного поверхні біс-лою на іншу відбуваються значно повільніше, ніж переходи при латеральної дифузії. Середній час, через яке фосфолипидная молекула здійснює шльопанці (Т ~ 1 година), в десятки мільярдів раз більше середнього часу, характерного для перескоку молекули з одного місця в сусіднє в площині мембрани. Поєднання швидкої дифузії молекул уздовж мембрани і дуже повільної дифузії поперек мембрани має велике значення для функціонування мембран, а саме для матричної функції мембрани. Завдяки утрудненого переходу поперек мембрани підтримується впорядкованість в молекулярній структурі мембрани, її анізотропія, асиметрія (щодо площині мембрани) розташування ліпідних і білкових молекул, певна орієнтація білків-ферментів поперек мембрани. Це має велике значення, наприклад, для спрямованого переносу речовин через мембрану.

 




Тема: ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ | Пасивний перенос речовин через мембрану | Активний транспорт речовин. досвід Уссінга | Електрогенних іонні насоси | Вторинний (зв'язаний) активний транспорт. | Ліпідні пори: стабільність і проникність мембран | ГЛАВА 3. БІОЕЛЕКТРИЧНІ ПОТЕНЦІАЛИ | ГЛАВА 4. МЕХАНІЗМИ ГЕНЕРАЦІЇ ПОТЕНЦІАЛУ ДІЇ | Типи керованих каналів. | Структура іонного каналу. |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати