В.Ф. Антонов - Биофизика мембран (статья)

BIOPHYSICSOF MEMBRANESV. F. ANTONOVБИОФИЗИКА МЕМБРАНÇ. î. ÄçíéçéÇåÓÒÍÓ‚Ò͇fl ωˈËÌÒ͇fl ‡Í‡‰ÂÏËfl ËÏ. à.å. ë˜ÂÌÓ‚‡The biological membraneis a ultra-thin bimolecularlayer of phospholipidswhich is encrusted byproteins and polysaccharides.Thebiologicalmembrane provides theliving cells with theirmechanical and matrixproperties, as well as withtheir diffusion barrier.© ÄÌÚÓÌÓ‚ Ç.î., 1996ÅËÓÎӄ˘ÂÒ͇fl ÏÂÏ·‡Ì‡ – ÛθÚ‡ÚÓÌ͇fl ·ËÏÓÎÂÍÛÎfl̇fl ÔÎÂÌ͇ ÙÓÒÙÓÎËÔˉӂ, ËÌÍÛÒÚËÓ‚‡Ì̇fl ·ÂÎ͇ÏË Ë ÔÓÎËÒ‡ı‡ˉ‡ÏË. ùÚ‡ ÍÎÂÚӘ̇fl ÒÚÛÍÚÛ‡ ÎÂÊËÚ‚ ÓÒÌÓ‚Â ·‡¸ÂÌ˚ı, ÏÂı‡Ì˘ÂÒÍËı Ë Ï‡Ú˘Ì˚ıÒ‚ÓÈÒÚ‚ ÊË‚Ó„Ó Ó„‡ÌËÁχ.4ÇÇÖÑÖçàÖТрудно поверить, что 30 – 40 лет тому назад существование мембран на поверхности живой клетки ставилось под сомнение, а структуры, наблюдаемые под электронным микроскопом, никак несвязывали с многочисленными функциями живойклетки.

Особенно горячие споры касались мембранного механизма возникновения и распространения биопотенциалов. Очевидно, по этой причинераздел клеточной биофизики, посвященный мембранному электрогенезу, оказался наиболее фундаментально исследованным и достиг высокой степени научной глубины и ясности.Следует отметить, что для исследования мембранпотребовалась интеграция знаний многих областейестественных наук. Чтобы понять, как функционируют мембраны, надо знать такие темы как “Электричество” (физика), “Липиды и белки” (органическая химия), уметь решать хотя бы простейшиедифференциальные уравнения (математика).ëíêìäíìêÄ à îìçäñàà ÅàéãéÉàóÖëäàïåÖåÅêÄçéÒÌÓ‚Ì˚ ÙÛÌ͈ËË ·ËÓÎӄ˘ÂÒÍËı ÏÂÏ·‡ÌЭлементарная живая система, способная к самостоятельному существованию, развитию и воспроизведению – живая клетка – основа строениявсех животных, растений и микроорганизмов.

Важнейшие условия существования клетки (и клеточных органелл), с одной стороны, – автономность поотношению к окружающей среде (вещество недолжно смешиваться с веществом окружения,должна соблюдаться автономность химических реакций в клетке и ее отдельных частях); с другой стороны, – связь с окружающей средой (непрерывный,регулируемый перенос вещества и энергии междуклеткой и окружающей средой). Живая клетка –термодинамически открытая система.Единство автономности от окружающей среды итесной связи с окружающей средой – необходимоеусловие функционирования живых организмов навсех уровнях их организации. Поэтому важнейшееусловие существования клетки и, следовательно,жизни – биологические мембраныТри основных функции биологических мембран.Барьерная функция обеспечивает селективный,регулируемый, пассивный и активный обмен веществ клетки с окружающей средой (селективный –значит избирательный: одни вещества переносятсяëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹6, 1996через биологические мембраны, другие нет); регулируемый – проницаемость мембраны для определенных веществ меняется в зависимости от функционального состояния клетки; активный – переносот мест, где концентрация вещества мала, к местамс большей концентрацией.

Матричная функцияобеспечивает взаимное расположение и ориентациюмембранных белков, обеспечивает их оптимальноевзаимодействие (например, взаимодействие мембранных ферментов). Механическая функция обеспечивает прочность и автономность клеток и внутриклеточных структур.Кроме того, биологические мембраны выполняют функции: энергетическую – синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез углеводов в мембранах хлоропластов; генерацию ипроведение биопотенциалов; рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная,химическая, терморецепция – мембранные процессы) и многие другие функции.Огромная роль мембран в жизненных процессахсвязана с их относительно большой совокупнойплощадью.

Так, общая площадь всех биологическихмембран в организме человека достигает десятковтысяч квадратных метров.ëÚÛÍÚÛ‡ ÏÂÏ·‡ÌПервая модель строения биологических мембран была предложена в 1902 году. Овертон заметил,что через мембраны лучше всего проникают вещества, хорошо растворимые в липидах, и на основанииэтого предположил, что биологические мембранысостоят из тонкого слоя фосфолипидов.

На самомделе, на поверхности раздела полярной и неполярной сред (например, воды и воздуха) молекулыфосфолипидов образуют мономолекулярный (одномолекулярный) слой. Их полярные “головы”погружены в полярную среду, а неполярные “хвосты” ориентированы в сторону неполярной среды.Поэтому можно было предположить, что биологические мембраны построены из монослоя липидов.В 1925 году Гортер и Грендел показали, что площадь монослоя липидов, экстрагированных из мембран эритроцитов, в два раза больше суммарнойплощади эритроцитов.

Гортер и Грендел экстрагировали липиды из гемолизированных эритроцитовацетоном, затем выпаривали раствор на поверхностиводы и измеряли площадь образовавшейся мономолекулярной пленки липидов. На основе результатовэтих исследований было сделано предположение,что липиды в мембране располагаются в виде бимолекулярного слоя. Это предположение подтвердилиисследования электрических параметров биологических мембран (Коул и Кёртис, 1935 год): высокоеэлектрическое сопротивление ≈ 107 Ом ⋅ м2 и большая электроемкость ≈ 0,5 ⋅ 10− 2 Ф/м2.Биологическую мембрану можно рассматриватькак электрический конденсатор. ПроводниковыеÄçíéçéÇ Ç.î.

ÅàéîàáàäÄ åÖåÅêÄçпластины конденсатора образуют электролиты наружного и внутреннего растворов (внеклеточного ицитоплазмы). Проводники разделены липиднымбислоем. Липиды – диэлектрики с диэлектрической проницаемостью ε ≈ 2. Емкость плоского конε 0 εS- , где электрическая постояннаяденсатора C = ---------l− 12ε0 ≈ 8,85 ⋅ 10 Ф/м, S – площадь, l – расстояниемежду пластинами конденсатора. Удельная емкостьε0 ε- . Отсюда можно найна единицу площади C уд = -----lти расстояние между пластинами конденсатора, соответствующее в нашем случае толщине липиднойε 0 ε 8,85 ⋅ 10 –12 ⋅ 2- м ≈ 3,5 нм .- ≈ --------------------------------части мембраны: l = -----–2C уд0,5 ⋅ 10Это как раз соответствует по порядку величины толщине неполярной части двухмолекулярного слоялипидов, сложенного определенным образом.Вместе с тем имелись экспериментальные данные, которые свидетельствовали о том, что биологическая мембрана содержит в своем составе ибелковые молекулы.

Например, при измеренииповерхностного натяжения клеточных мембран было обнаружено, что измеренные значения коэффициента поверхностного натяжения существенноближе к коэффициенту поверхностного натяженияна границе раздела белок–вода (около 0,1 дин/см),нежели на границе раздела липид–вода (около10 дин/см). Эти противоречия экспериментальныхрезультатов были устранены Даниелли и Девсоном,предложившими в 1935 году так называемую “бутербродную” модель строения биологических мембран,которая с некоторыми несущественными изменениями продержалась в мембранологии в течениипочти 40 лет. Согласно этой модели, мембрана –трехслойная: она образована двумя расположенными по краям слоями белковых молекул, с липиднымбислоем посередине; образуется нечто вроде бутерброда – липиды, наподобие масла, между двумя“ломтями” белка.

Однако по мере накопления экспериментальных данных пришлось в конце концовотказаться и от “бутербродной” модели строениябиологических мембран.Огромную роль в развитии представлений остроении биологических мембран сыграло всебольшее проникновение в биологию физическихметодов исследования. Большую информацию оструктуре мембран, о взаимном расположенииатомов мембранных молекул дает рентгеноструктурный анализ, основанный на дифракции коротковолновых рентгеновских лучей на атомах. Рентгеноструктурный анализ позволяет обнаруживатьупорядоченность в расположении атомов и определять параметры упорядоченных структур (например, расстояния между кристаллографическимиплоскостями).

Исследования дифракции рентгеновских лучей подтвердили относительно упорядоченное расположение липидных молекул в мембране5(было показано существование двойного молекулярного слоя с более или менее параллельно расположенными жирнокислотными хвостами), даливозможность точно определить расстояние междуполярной головой липидной молекулы и метильной группой в конце углеводородной цепи.Наиболее впечатляющие результаты были получены в электронно-микроскопических исследованиях. Как известно, световой микроскоп не позволяет рассмотреть детали объекта меньше примернополовины длины волны света (около 200 нм).

В световом микроскопе можно разглядеть отдельныеклетки, однако он совершенно не пригоден для изучения биологических мембран, толщина которых в20 раз меньше предела разрешения светового микроскопа. Разрешающая способность микроскопаограничена явлением дифракции.