Жидкостно-мозаичная модель мембран.

 

Функционирующие мембраны представляют собой двумерный раствор глобулярных интегральных белков, диспергированных в жидком фосфолипидном матриксе. Жидкостно-мозаичная модель мембранной структуры была предложена в 1972 г. Сингером и Николсоном (рис. 2).

Первые данные об адекватности этой модели были получены при искусственно индуцированном слиянии двух разных родительских клеток. Оказалось, что при образовании межвидовой гибридной клетки в плазматической мембране происходит быстрое стохастическое перераспределение видоспецифичных белков. Впоследствии было показано, что фосфолипиды тоже способны быстро перераспределяться в плоскости мембраны. Такая диффузия в плоскости мембраны, называемая латеральной, может осуществляться довольно быстро: одна молекула фосфолипида перемещается за 1 с на расстояние несколько микрометров.

 

 

6. Фазовые переходы мембран. Изменение свойств мембран при фазовом переходе.

 

При отвердевании липидной мембраны длинные неполярные хвосты липидных молекул упаковываются в плотную упорядоченную структуру, подобную двумерному твердому телу. При этом площадь поверхности мембраны сильно сокращается (см. рис. 16). Из исследований модельных мембран известно, что площадь сокращается на 20-25%. При этом толщина бислоя возрастает почти настолько же, в результате чего объем мембраны уменьшается только на 3-5%.

Если мембрана несет избыточный отрицательный заряд, то жидкое и твердое состояния различаются по способности к взаимодействию с ионами, в частности с кальцием. В твердом состоянии поверхностная плотность зарядов выше и потому взаимодействие с кальцием сильнее. Благодаря изменениям перечисленных экстенсивных свойств состояние мембраны зависит от сопряженных интенсивных свойств. В соответствии с принципом Ле-Шателье отвердевание можно вызвать понижением температуры (потому что при переходе уменьшается энтальпия), увеличением концентрации Ca²⁺ (потому что возрастает сродство к нему), увеличением давления (потому что уменьшается объем), латеральным давлением (потому что сокращается площадь поверхности). Для нашего рассмотрения наиболее важными факторами являются температура, давление, концентрация ионов кальция и некоторых других низкомолекулярных соединений, взаимодействующих с мембраной.

 

Фазовые переходы и, следовательно, текучесть мембран сильно зависят от липидного состава мембран. В липидном бислое гидрофобные цепочки жирных кислот ориентированы практически параллельно друг другу, в результате чего образуется достаточно жесткая структура.

При повышении температуры гидрофобный слой переходит из упорядоченного состояния в неупорядоченное, и образуется более жидкая, текучая система. Температура, при которой вся структура претерпевает переход из упорядоченного состояния в беспорядочное, называется температурой перехода. Более длинные и более насыщенные жирнокислотные цепи обладают более высокой температурой перехода, т.е. для повышения текучести образованной ими структуры необходима более высокая температура. Наличие ненасыщенных связей в цис-конфигурации приводит к повышению текучести бислоя из-за снижения компактности упаковки цепей без изменения гидрофобности. Фосфолипиды клеточных мембран обычно содержат по крайней мере одну ненасыщенную жирную кислоту, имеющую по крайней мере одну двойную связь в цис-положении.

Холестерол играет роль молекулярного модификатора мембран, включение которого приводит к образованию состояний с промежуточной текучестью. Если ацильные боковые цепи находятся в неупорядоченном состоянии, то холестерол вызывает их конденсацию; если же они образуют какую-то кристаллоподобную структуру, то холестерол переводит ее в неупорядоченное состояние. При высоком отношении холестерол/липид фазовый переход вообще не происходит.

Текучесть мембраны сильно влияет на ее функционирование. При увеличении текучестимембрана становится более проницаемой для воды и других малых гидрофильных молекул, растет скорость латеральной диффузии интегральных белков. Если активный центр интегрального белка, осуществляющий некую функцию, располагается исключительно в гидрофильной его части, то изменение текучести липидов, вероятно, не скажется слишком сильно на активности белка. Но если белок выполняет транспортную функцию и транспортный компонент пересекает мембрану, то изменения свойств липидной фазы могут привести к значительному изменению скорости транспорта. Превосходным примером является зависимость функционирования инсулинового рецептора от текучести мембран. Когда концентрация ненасыщенных жирных кислот в мембране растет (при культивировании клеток в среде, богатой этими соединениями), увеличивается текучесть, а это приводит к тому, что рецептор связывает больше инсулина.

Текучесть мембраны и соответственно латеральная подвижность могут быть неодинаковыми в разных ее участках. Например, в плоскости мембраны могут возникать белок-белковые взаимодействия, приводящие к образованию жесткого белкового матрикса в отличие от обычного липидного матрикса. Такие области белкового матрикса могут сосуществовать с обычным липидным матриксом в одних и тех же мембранах. Примерами такого тесного соседства различных матриксов являются области щелевых контактов, плотных контактов, а также бактериоро-допсинсодержащие фрагменты пурпурных мембран галобактерий.

Некоторые латеральные белок-белковые взаимодействия опосредуются периферическими белками; например, образуются сшивки через антитела и лектины и формируются так называемые кэп-структуры на поверхности мембраны. Таким образом, периферические белки, участвуя в специфических взаимодействиях, могут ограничивать подвижность интегральных белков внутри мембраны.