В.Ф. Антонов - Биофизика мембран (статья) (1123243), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Поэтому, чемменьше длина волны по сравнению с деталями исследуемого объекта, тем меньше искажения. Предел разрешения Z пропорционален длине волны λ.Электронам, разогнанным до больших скоростей, тоже присущи волновые свойства, в том числеявление дифракции, однако при достаточно больших скоростях длина волны де Бройля достаточномала и соответственно мал предел разрешения электронного микроскопа. У электронов, ускоренныхв электрическом поле с напряжением U = 105 B, ско2eU8рость υ = ---------- ≈ 10 м/с (e – заряд электрона, m –mмасса электрона), а длина волны λ ≈ 0,005 нм.
Однако из-за некоторых конструктивных особенностейэлектронного микроскопа его предел разрешения Zсоставляет не тысячные доли нанометров, а околоодной десятой нанометра (Z ≈ 0,1 нм), что, однако,уже позволяет рассмотреть отдельные детали строения биологических мембран.К методам изучения динамики мембран, дающим возможность исследовать их, не разрушая,относятся флюоресцентный метод и методы радиоспектроскопии – электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Эти методы дают сведения о движениии взаимодействии мембранных молекул и отдельных частей молекулы.
Было выяснено, что при физиологических условиях липидные молекулы находятся в жидком агрегатном состоянии. Метод ЭПРпоказал, что не вся поверхность биологическоймембраны покрыта белками. Так, например, больше половины поверхности мембраны кишечной палочки образована полярными головами липидов.Совокупность результатов, полученных физическими и химическими методами исследования, далавозможность предложить новую модель строениябиологических мембран – жидкостно-мозаичную(Сингер и Никольсон, 1972 год) [1 – 3]. СогласноСингеру и Никольсону, структурную основу биологической мембраны составляет двойной слой фосфолипидов, инкрустированный белками, подобно6тому, как инкрустация цветными камешками истеклышками создает мозаичную картину. Приэтом различают поверхностные (или периферические) и интегральные белки.Липиды находятся при физиологических условиях в жидком агрегатном состоянии, это позволяетсравнить мембрану с фосфолипидным морем, покоторому плавают белковые “айсберги”.
Одним изподтверждений жидкостно-мозаичной модели является и тот факт, что, как установлено химическиманализом, в разных мембранах соотношение междусодержанием белков и фосфолипидов сильно колеблется: количество белков в миелиновой мембране в 2,5 раза меньше, чем липидов, а в митохондриях, напротив, белков в 2,5 раза больше, чем липидов,в то время как, согласно “бутербродной” модели,соотношение количества белков и липидов во всехмембранах должно быть одинаковым.
Кроме фосфолипидов и белков в биологических мембранах содержатся и другие химические соединения. В мембранахживотных клеток много холестерина (в сравнимомколичестве с фосфолипидами и белками). Есть вмембранах и другие вещества, например, гликолипиды, гликопротеиды.Жидкостно-мозаичная модель строения мембраны в настоящее время общепринята.
Однако, каквсякая модель, она дает довольно упрощенную исхематическую картину строения мембраны. В частности, обнаружено, что белковые “айсберги” невсегда свободно плавают в липидном море, а могутбыть “заякорены” на внутренние (цитоплазматические) структуры клетки. К таким структурам относятся микрофиламенты и микротрубочки. Микротрубочки – полые цилиндры диаметром около 300 нм изособого белка тубулина играют, по-видимому, важную роль в функционировании клетки.åÓ‰ÂθÌ˚ ÎËÔˉÌ˚ ÏÂÏ·‡Ì˚Плоские бислойные фосфолипидные мембраны(БЛМ) – тип модельных мембран. Такие мембраныполучают на маленьких отверстиях диаметром около 1 мм, в пластинке из пластика (например, фторопласта), погруженной в водную среду.
На отверстиенаносят каплю раствора липида (в спирте, хлороформе, гептане или других растворителях). Растворитель диффундирует из раствора в воду и на отверстии остается пленка липида. Эта пленка спонтанноутончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной около 6 нм. Лишний липид собирается в виде ободка – торуса у краев отверстия (рис.
1).Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широко используются в качестве моделей дляизучения электрических свойств мембраны, их проницаемости для различных веществ и для другихнаучных исследований. Модельные мембраны моделируют ряд функций биологических мембран, втом числе барьерную: например, селективностьëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹6, 1996ТефлонВодаВодаКаплямембранногораствораTф.п.ГельБЛМТорус0,58 нм23,9 нм4,7 нм0,48 нм2Жидкий кристаллПовышение температурыРис.
2. Изменение структуры мембраны из лецитина при переходе из жидкокристаллического в гель(твердокристаллическое) состояние и обратно.объем несколько увеличивается, потому что значительно увеличивается площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулу (от 0,48 нм2 до 0,58 нм2) впримере на рис. 2.Рис.
1. Образование плоской бислойной липидной мембраны по методу Мюллера и др. [4].проницаемости – хорошую проницаемость для воды, плохую для ионов. Можно моделировать регулируемый транспорт, воздействуя на модельнуюмембрану белками – ионофорами [3, 4], изменением температуры, химического состава окружающейсреды, электрическим полем [5].
Можно при этомнаблюдать изменение ионной проницаемости модельных мембран.Как показано физическими методами исследования – дилатометрией (измерением коэффициентаобъемного расширения) и калориметрией (измерением теплоемкости), рентгеноструктурного анализаи др. – липидная часть биологических мембран приопределенных температурах испытывает фазовыйпереход первого рода.
Согласно данным рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии, флюоресцентного анализа, инфракрасной спектроскопиии других физических исследований в фосфолипидной мембране при понижении температуры происходит переход из жидкокристаллического в гельсостояние, которое условно иногда называют твердокристаллическим (рис. 2).В гель-состоянии молекулы расположены ещеболее упорядочено, чем в жидкокристаллическом.Все гидрофобные углеводородные хвосты фосфолипидных молекул в гель-фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу (имеют полностью трансконформацию). В жидком кристалле засчет теплового движения возможны структурныепереходы: хвосты молекул изгибаются, их параллельность друг другу в отдельных местах нарушается, особенно сильно в середине мембраны.
Толщина мембраны поэтому в гель-фазе больше, чем вжидком кристалле (см. рис. 2). Однако при переходеиз твердого в жидко-кристаллическое состояние,ÄçíéçéÇ Ç.î. ÅàéîàáàäÄ åÖåÅêÄçДля нормального функционирования мембранадолжна быть в жидкокристаллическом состоянии.Поэтому в живых системах при продолжительномпонижении температуры окружающей среды наблюдается адаптационное изменение химическогосостава мембран, обеспечивающее понижение температуры фазового перехода. Температура фазовогоперехода Тф. п. понижается при увеличении числаненасыщенных связей в жирно-кислотных хвостах.В хвосте молекулы может быть до четырех ненасыщенных связей.В зависимости от химического состава липидных мембран температура фазового перехода гель–жидкий кристалл может меняться от − 20°С (длямембран ненасыщенных липидов) до +60°С (длянасыщенных липидов).
Увеличение числа ненасыщенных липидов в мембране при понижении температуры обитания наблюдается у микроорганизмов,растительных и животных клеток. Любопытныйпример приспособления клеточных мембран к температурным условиям – изменение температурыфазового перехода (за счет изменения химическогосостава мембранных липидов) ноги полярного оленя.
Температура вдоль ноги полярного оленя от копыта до туловища зимой может меняться от − 20°Сдо +30°С. Клеточные мембраны у дистальной частиноги оленя содержат больше ненасыщенных фосфолипидов. По-видимому, первичный механизмкриоповреждений (повреждений при охлаждениях)биологических мембран связан с фазовым переходом в гель-состояние. Поэтому биологические мембраны содержат большое количество холестерина,уменьшающего изменения в мембране, сопровождающие фазовый переход. Молекулы холестерина,располагаясь между фосфолипидными молекулами, упорядочивают бислой в жидком и разупорядочивают в твердом состоянии и таким образомуменьшают различия жидкокристаллической игель-структур.7У некоторых микроорганизмов биологическиемембраны находятся при температурах, лишь немного превышающих температуру фазовых переходов липидов.
Мембрана содержит десятки разныхлипидов, которым соответствуют разные температуры фазового перехода, в том числе близкие к физиологическим. При понижениях температуры вмембране происходят фазовые превращения в липидном бислое.проводимости обусловливает нервный импульс. Неисключено, что нервный импульс, свидетельствующий о понижении или повышении температуры,образуется за счет изменения ионной проницаемости липидного бислоя при фазовом переходе мембранных липидов нерва.По-видимому, и некоторые виды хеморецепциимогут быть связаны с фазовым переходом мембранных липидов, поскольку фазовый переход можетвызываться не только изменением температуры, нои изменением химического состава окружающейсреды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
