молекулярна організація біомембран

Наявність у мембранних ліпідах (гліцерофосфоліпідах, сфінгофосфоліпідах, гліколіпідах) полярних головок та неполярних гідрофобних структур (вуглеводневих радикалів жирних кислот та сфінгозину) визначає їх амфіфільну (амфіпатичну) природу, тобто здатність до взаємодії як з гідрофільними (полярними), так і з гідрофобними (неполярними) молекулами.

Завдяки амфіфільній будові молекул, ліпіди, що беруть участь у побудові біомембран, здатні до утворення в полярних середовищах упорядкованих структур: міцел, моношарових та бішарових плівок (моношарів та бішарів).

а) Міцели – молекулярні структури, які амфіфільні ліпіди утворюють у водному (полярному) оточенні. У міцелах вуглеводневі хвости ліпідів вкриті від контакту з водою та утворюють гідрофобну фазу, а гідрофільні головки молекул розташовуються на поверхні. Міцелярні структури характерні для ліпопротеїнів крові та для ліпідних комплексів, що всмоктуються в кишковому тракті.

б) Мономолекулярні шари – плівки, які амфіфільні ліпіди утворюють на поверхні водних розчинів. У мономолекулярних шарах гідрофільні головки молекул взаємодіють з водною фазою, а вуглеводневі хвости спрямовані до повітряної фази. Мономолекулярний шар, що утворює в легеневих альвеолах фосфогліцерид дипальмітоїлфосфатидилхолін, виконує функцію легеневого сурфактанту, який протидіє злипанню легеневих альвеол.

в) Бімолекулярні шари – молекулярні структури, в яких вуглеводневі хвости ліпідів спрямовані всередину, утворюючи неперервний вуглеводневий бішар, а гідрофільні (полярні) головки направлені в бік водної фази, що оточує бімолекулярну плівку, яка утворилася; бімолекулярні шари є основою будови біологічних мембран.

Амфіфільний характер мембранних ліпідів є фізико-хімічною властивістю, що зумовлює їх здатність до утворення ліпідних бішарів, які складають основу молекулярної структури біологічних мембран.

Мембранний транспорт

Найважливішою функцією мембран є регуляція транспорту речовин у клітину та з клітини. Механізми транспорту малих і великих молекул крізь мембрани дуже відрізняються один від одного (табл.7).

Перенос малих молекул через мембрани може здійснюватися шляхом простої дифузії, пасивного та активного транспорту.

Шляхом простої дифузії через мембрани можуть проникати малі неполярні (02, Н20, С02) молекули, незаряджені полярні молекули (сечовина), а також низькомолекулярні гідрофобні речовини. Проста дифузія являє собою самовільне переміщення речовини в результаті теплового руху за градієнтом концентрації або електрохімічним градієнтом (при переносі заряджених частинок). Швидкість дифузії визначається трансмембранним градієнтом концентрації речовин, їхньою розчинністю в гідрофобному шарі мембрани й тепловим рухом молекул, що пересуваються. Значення такої дифузії в організмі обмежене.

Молекули, що самі не можуть проходити крізь мембрану, використовують для цього спеціальні білки-переносники. Якщо транспорт однієї речовини за допомогою переносника супроводжується переносом іншої сполуки в тому ж напрямку, то таке явище називається симпортом. А явище, коли транспорт будь-якої речовини поєднується з переносом іншої речовини в протилежному напрямку, називається антипортом.

Переміщення молекул крізь мембранний бішар, за участю біл-ків-переносників, може відбуватися двома способами: шляхом пасивного або активного транспорту.

Пасивний транспорт речовин здійснюється за градієнтом їх концентрації за допомогою білків-переносників (транслоказ, перме-аз) без витрат енергії. Існують два види пасивного транспорту - полегшена та обмінна дифузії. При полегшеній дифузії білки сполучаються з молекулами, що транспортуються, і прискорюють процес їх переносу. За допомогою цього виду дифузії крізь мембрану транспортуються амінокислоти, моносахариди, нуклеотиди, іони. Для цього виду дифузії характерним є ефект насичення: коли білок насичений, подальше збільшення концентрації дифундуючої речовини не прискорює дифузію (аналогія з ферментативним каталізом). Молекулярний механізм роботи білків-переносників досі невідомий. Припускається, що вони вбудовані в мембрану і змінюють свою конформацію за механізмом «пінг-понг» (рис.54). Переносник зв'язує речовину, що переноситься, з одного боку мембрани, після чого в ньому відбуваються конформаційні зміни («понг-пінг»), унаслідок яких ця речовина звільняється з іншого боку мембрани, а переносник повертається у вихідний стан («пінг-понг»).

Припускається, що за таким механізмом переносить іони К+ крізь мембрани мітохондрій іонофор - антибіотик валіноміцин.

Особливу роль серед систем пасивного транспорту відіграють іонні канали електрозбуджуваних мембран нервових і м'язових клітин для іонів №+, К+ и Са2+. Ці канали являють собою пори, сформовані каналоутворюючими білками. Таким білком є іонофор антибіотик граміцидин, який формує канал для одновалентних катіонів.

Обмінна дифузія здійснюється за антипортним механізмом, ко-відбувається обмін однієї речовини на іншу. При цьому кожна речовина рухається за градієнтом концентрації. Такий антипорт характерний для аніонів і катіонів. Як приклад можна навести обмін іонів №+ на іони К+, який здійснюється протилежно дії №+, К+ -АТФази.

Залежно від характеру використання енергії розрізняють первинний і вторинний активний транспорт. Під час первинного активного транспорту витрата енергії відбувається при безпосередньому переносі речовини крізь мембрану. Перенос речовини крізь мембрану шляхом вторинного активного транспорту здійснюється за рахунок енергії градієнта концентрації іонів, створеного на мембрані механізмом первинного активного транспорту. Цей градієнт використовується для переносу інших речовин за допомогою білків-переносників.

За принципом первинного активного транспорту в клітині функціонують АТФази або іонні насоси-білки, які для транспорту іонів використовують енергію гідролізу АТФ. Типовим прикладом такого білка-переносника є №+, К+-АТФаза, яка працює за принципом антипорта, перекачуючи №+ із клітин, а К+ - всередину клітин. №+,К+-АТФаза являє собою олігомер, що пронизує мембрану наскрізь і містить на внутрішньому боці ділянки для зв'язування АТФ і №+, а на зовнішньому боці - для К+ та серцевих глікозидів. Унаслідок приєднання відбувається активація АТФази, тобто гідроліз АТФ та фосфорилювання ферменту з боку цитоплазми.

За один цикл із клітини виводиться 3Ма+, а в клітину надходять 2К+, що призводить до появи трансмембранного електрохімічного потенціалу. Серцеві глікозиди, одним із яких є уабаїн (строфантин О), можуть конкурувати з К+ за місця зв'язування та інгібують Ма+, К+-АТФазу.

Для життєдіяльності клітини велике значення має функціонування ще однієї системи активного транспорту - Са2+-АТФази, яка виводить Са2+ із клітин і підтримує його внутрішньоклітинну концентрацію на значно нижчому рівні (П10-7 М) у порівнянні з позаклітинною (П10-3 М). Особливо велика кількість Са2+-АТФази міститься в мембранах м'язових клітин, де вона є частиною механізму, що регулює процес скорочення м'язів.

Вторинний активний транспорт може бути симпортним і ан-типортним. У тваринних клітинах іоном, що котранспортується, як правило, є Прикладом симпортного вторинного транспорту

служить надходження глюкози й амінокислот в епітеліальні клітини кишечника і нирок. У симпортних системах молекули, що транспортуються, і зв'язуються з білком-переносником, утворюючи потрійний комплекс, наприклад: Ма+-переносник-глюкоза. Комплекс переходить на інший бік мембрани, де вивільнюється і глюкоза. Для цей перенос відбувається за концентраційним градієнтом, а для глюкози або амінокислот - проти градієнта концентрації. За механізмом антипортного вторинного активного транспорту в клітинних мембранах переноситься багато катіонів.

Перенос макромолекул крізь мембрани забезпечується механізмами везикулярного транспорту - ендоцитозом і екзоцитозом. За допомогою ендоцитозу здійснюється перенос молекул усередину клітини, а за допомогою екзоцитозу - перенос їх із клітин в зовнішнє середовище. Ендоцитоз може бути неспецифічним та селективним. Неспецифічний ендоцитоз протікає ніби автоматично і часто може призводити до захоплення і поглинання клітиною не потрібних їй речовин. Розрізняють два типи ендоцитозу: фагоцитоз - захоплення й поглинання клітиною великих часток (мікроорганізми, уламки клітин) та піноцитоз - поглинання клітинами рідин та розчинених речовин. Для ендоцитозу необхідна енергія, утворена внаслідок гідролізу АТФ.

Під час селективного або рецептор-індукованого ендоцитозу поглинаються молекули, для яких на плазматичній мембрані є специфічні рецептори, що асоціюються тільки з даним типом молекул. За механізмом селективного ен-доцитозу в клітину потрапляють віруси, що викликають такі захворювання, як гепатит, поліомієліт.

Плазматична мембрана бере участь у виведенні речовин із клітини за допомогою екзоцитозу. У цьому випадку внутрішньоклітинні продукти, замкнені у вакуолях, підходять до плазматичної мембраниі зливаються з нею, секретуючи їх вміст у позаклітинне середовище. Існує конститутивний і регульований екзоцитоз. Під час конститутивного шляху секреції речовини секретуються постійно клітинами, що їх виробляють (секреція фібронектину та колагену фібробластами). Унаслідок регульованого шляху секреції певні білки й малі молекули секретуються тільки після одержання клітиною відповідного сигналу ззовні (нервовий імпульс, вплив гормонів, медіаторів). Так, тучні клітини секретують гістамін у відповідь на зв'язування специфічних лігандів з рецепторами на їх поверхні.

Штучні моделі мембран

Штучні мембрани одержують із фосфоліпідів у різний спосіб. Унаслідок збовтування або обробки ультразвуком суспензії фосфоліпідів у воді, утворюються сферичні бішарові везикули, які називаються ліпосомами (діаметром 200-2000 А). Ліпосоми можуть складатися з одного (одноламелярні) або декількох (муль-тиламелярні) бішарів фосфоліпідів, що чергуються з водним простором. У наш час усе більшого значення набуває можливість використання фосфоліпідних везикул для доставки в клітину лікарських засобів. Це має ряд переваг: 1) введення речовин усередину ліпосом захищає їх від дії ферментних систем організму; 2) ліпосоми формуються з природних фосфоліпідів, у зв'язку з чим вони легко включаються в обмінні процеси в організмі і є практично нешкідливими;

3) завдяки здатності ліпосом взаємодіяти з мембранами клітин стає можливим введення всередину клітин речовин, які не проникають крізь клітинну мембрану або мають обмежену проникність;

4) унаслідок обмеженої проникності ліпосом можливе їхнє використання для дозованого надходження лікарського препарату і зниження його токсичності; 5) ліпосоми можна застосовувати для спрямованого транспорту біологічно активних молекул до певних органів і тканин, для чого в їхні мембрани необхідно включити молекули, які впізнаються специфічними рецепторами плазматичної мембрани клітин-мішеней.