Структурні основи функціювання мембран

Найважливіші фізичні та фізико-хімічні|фізико-хімічні| функції клітин|клітини| виявляються у метаболізмі і біосинтезі, у біоенергитичних| процесах запасу енергії та її перетворенні при реалізації електро — і механохімічних| процесів, а також регульованого активного і пасивного транспорту речовин зі|із| збереженням|зберіганням| автономності внутрішнього устрою клітини|клітини|. Для виконання цих життєво важливих|поважних| функцій клітина|клітина| відокремлена від зовнішнього середовища|середи| напівпрозорою плазматичною мембраною.

З погляду структури, мембрана є матрицею для мембранних ферментів, рецепторів і інших компонентів, що створюють бар'єрну функцію.

Молекули фосфоліпідів складаються з полярної головки|голівки| (П), до складу якої входить одне з полярних з'єднань|сполучень,сполук| (холин|, етаноламін і ін.) і неполярного хвоста (Г), який містить|утримує| гліцерин, жирні кислоти, фосфорну кислоту. Фосфоліпідні молекули мають властивість амфіфільності|: полярна головка|голівка| гідрофільна|, тобто змочується водою (контактує з|із| водою), «хвіст» є|з'являється,являється| гідрофобним, тобто не змочується водою («боїться води»).

Малюнок 6.1-Мембрана

За формою молекули фосфоліпідів представляють|уявляють| сплюснуті|сплющені| циліндри, 1/4 яких гідрофільна|, а 3/4 гідрофобні|.

У водних розчинах такі молекули самозбираються|, прагнучи заховати від води гідрофобні хвости, і утворюють подвійний фосфоліпідний| шар — власне основу мембрани (мал. 6.1).

У цей шар вбудовуються поверхневі|поверхові,зверхні| (ПБ|) і інтегральні (ІБ|) білки. Причому, поверхневі|поверхові,зверхні| білки утримуються|стримуються| електростатичними силами, а інтегральні — міцними гідрофобними взаємодіями. За рахунок цих білків частково або повністю здійснюються такі функції мембран, як проникність, транспорт речовин, генерація біопотенціалів і ін.

| Окислення при вільному радикальному процесі одного з кислих ланцюгів|цепів| фосфоліпідів або відщеплення її під дією фосфоліпази|, приводить|призводить,наводить| до звуження її хвостової частини|частки|. Такі дефектні молекули при збірці|зборці,збиранні| утворюють не бішар|, а сферичні міцели. Знаходячись|опиняючись| у складі мембрани, вони утворюють пори або канали (К), через які можуть проникати вода і розчинені в ній речовини. Як результат мембрана частково втрачає|розгублює| свої бар'єрні властивості, тому | окислення і дія фосфоліпаз| є|з'являються,являються| процесами, відповідальними за пошкодження|ушкодження| мембран по ряду|лаві,низці| захворювань.

Виходячи з|із| фізичних властивостей мембрани слід зазначити, що|слід відзначити , що,следует отметить | молекули фосфоліпідів випробовують|відчувають| бічний|боковий| тиск|тиснення|, обумовлений поверхневим|поверховим,зверхнім| натягненням на межі|кордоні| вода — ліпідна фаза. Цей тиск|тиснення| у нормі визначає величину щільності упаковки у ліпідному шарі. При зміні температури, хімічного складу хвоста, заряду «головки|голівки|», при патологічних процесах, змінюється і щільність упаковки.

Різного виду дослідження показали, що ліпідний бішар може знаходитися|перебувати| у двох станах:

1. Твердого двомірного кристалу.

2. Бімолекулярної рідкої плівки (рідкокристалічної).

У обох станах зберігається щільна гексагональна упаковка фосфоліпідних| молекул, проте|однак| щільність упаковки зменшується при переході до рідкої фази. Рідкий та твердий стани відрізняються також в'язкістю ліпідної фази та розчинністю в ній різних речовин.

Чи буде стан бішар| твердим або рідким, не вдаючись, в подробиці|докладності|, залежить від хімічного складу ліпідів, числа заряджених груп на поверхні мембрани, змісту|вмісту,утримання| води та температури.

Проникність мембран для різних речовин, робота мембранних ферментів і рецепторів безпосередньо залежить від фізичних властивостей ліпідної фази біологічних мембран (поверхневого|поверхового,зверхнього| заряду та міжфазного стрибка потенціалу).

Поверхневий|поверховий,зверхній| заряд мембрани утворюється зарядженими фосфоліпідами, які створюють на поверхні мембрани, переважно негативний|заперечний| заряд, що стабілізує мембрану і клітинні|кліткові| елементи. У зв'язку з цим мембрани нагадують плоско-паралельний конденсатор (електростатична місткість|ємкість|):

.

Товщина мембрани складає (0,4—0,9) нм|. Якщо =13, то величина цієї місткості на одиничній|поодинокій| площі - |ємкості| (0,5—1,3) 10^-2 нф| |майдані|.

В'язкість мембрани на два порядки|лади| вища за в'язкість води і складає (30—100) МПа·с. Поверхневе|поверхове,зверхнє| натягнення мембрани (0,03—1,0) нН/м.

Розподіл електричного потенціалу мембрани і її меж|кордонів| можна вважати|лічити| важливим|поважним| чинником|фактором|, що визначає швидкість перенесення|переносу| речовин через мембрану.

Оскільки жива клітина, як термодинамічна система, обмінюється з|із| навколишнім середовищем речовиною, енергією і інформацією, то транспорт речовин через мембрану є|з'являється,являється| невід'ємною властивістю існування клітки|клітини|. Він забезпечує біоенергетику клітки|клітини| (синтез АТФ), формування спеціальних структур усередині клітки|клітини|, здійснює дію лікарських речовин на цитоплазму, саму мембрану, ферментативні системи та рецептори.

Розрізняють два види транспорту речовин: пасивний, коли частинки|частки,часточки| переносяться за градієнтом без витрат|затрат| енергії, і активний, що вимагає витрат|затрат| хімічної енергії, яка звільняється|визволяється| при гідролізі АТФ.

Типи пасивного транспорту наведені на мал. 6.2

Шляхом простої дифузії (тип А) у клітці|клітині| забезпечується проникність мембран для , більшості отруй та лікарських речовин. Це найповільніший і мало керований процес.

Для перенесення|переносу| живильних|живлячих,поживних| речовин і необхідних для життєдіяльності іонів еволюція виробила спеціальні білкові пори (канали) — тип Б. Дифузія через пори відбувається|походить| при збудженні мембрани. У цьому випадку в ній відкриваються|відчиняються| спеціальні канали, через які за градієнтом спрямовується потік речовин та іонів.

Малюнок 6.2-Пасивний транспорт

Іонний транспорт проходить|минає,спливає| за типами В і Г. Ряд речовин служать іонофорами — переносниками катіонів. До них відноситься циклічний антибіотик валіноміцин| (рухомий|жвавий,рухливий| переносник) — тип В. Він є нейтральною молекулою з|із| високою поляризаційною здатністю|, створюючи з|із| іонами К⁺ сферичні комплекси, що знижують бар'єр для проходження іона. Приєднавши іон К⁺ , він транспортує його усередину клітини|клітини|. На внутрішній поверхні іони К⁺ вивільняються. Переносник повертається до зовнішньої поверхні мембрани. Далі цикл повторюється.

Другим переносником є|з'являється,являється| граміцидин|, який утворює у мембрані полярну пору (тип Г). Транспорт, полегшений утворенням пор, має естафетний характер|вдачу| — пора може бути утворена декількома послідовно розташованими|схильними| молекулами, між якими відбувається|походить| передача іона. Іон може переноситися не однією, а відразу декількома молекулами іонофора — це колективний процес.

Пасивний транспорт описується рівнянням Нернста — Планка:

,

де: Ф — потік речовини

u — рухливість іона, молекули

R — універсальна газова постійна

Т — температура за шкалою К°

— концентраційний градієнт

С|із| — концентрація у молях

Z — величина заряду іона

F — число Фарадея

— градієнт потенціалу.

Перша частина рівняння визначає потік незаряджених частинок|часток,часточок|, друга — заряджених, знак «—» показує, що сумарна щільність потоку речовини при дифузії направлена|спрямована| у бік зменшення концентрації.

Для опису дифузії незаряджених частинок|часток,часточок| використовують рівняння Фіка:

У цьому вигляді|виді| рівняння Фіка визначає потік незаряджених частинок|часток,часточок| через одиничну|поодиноку| площу|майдан| у випадку, якщо|у разі , якщо,в случае | не існує перегородки (мембрани), яка може утрудняти перенесення|перенос|, де : — коефіцієнт дифузії, - градієнт концентрації.

Для клітинної|кліткової| мембрани : — товщина мембрани, , де і - концентрація частинок|часток,часточок| всередині|усередині| і зовні клітки|клітини|. У рівнянні Фіка для клітини|клітини| додається|добавляється| коефіцієнт К(коефіцієнт розподілу), який визначає співвідношення концентрації частинок|часток,часточок| між середовищем|середою| та мембраною і зрештою|врешті решт| швидкість перенесення|переносу|. Враховуючи це, рівняння Фіка для клітинної|кліткової| мембрани представляється у вигляді|виді|:

— називають ефективним коефіцієнтом проникності, тоді .

Мембрани володіють також селективною проникністю, тобто різним коефіцієнтом проникності, який при простій дифузії визначається коефіцієнтом розподілу К, а у разі|в разі| полегшеної дифузії — вибірковістю каналу та переносника.

Добре відомі чотири основні системи активного транспорту іонів у живій клітині: 1. Na⁺-K⁺, 2. Са^++, 3. Н+, 4. Протонний (у дихальному ланцюзі|цепі| мітохондрій). В усіх випадках перенесення|перенос| іонів через мембрану проводиться|виробляється,справляється| за рахунок енергії гідролізу АТФ (спеціальними ферментами переносниками), званими транспортними АТФ-азами.

Розглянемо|розгледимо| тільки|лише| механізми Nа⁺-К⁺-АТФ-азы. Не дивлячись на|незважаючи на| значні відмінності в структурі Na⁺-K⁺ і Са⁺⁺- АТФ-аз, у механізмах їх здійснення багато спільного.

Іони Na⁺ і К+ визначають водно-електролітний обмін організму. У нормі в живих клітинах тварин існує асиметрія концентрацій цих іонів всередині|усередині| (i) і зовні (е) клітки|клітини|.

Клітинна|кліткова| мембрана має однакову проникненість для обох іонів. Тому, для підтримки асиметрії, здійснюється протиградієнтне перенесення|перенос| за допомогою Na⁺-K⁺- АТФ-ази або Na⁺-К⁺ насоса (помпи), за рахунок тієї енергії, що звільняється|визволяється| при гідролізі АТФ:

,

де — неорганічний фосфат.

Малюнок 6.3- Основні етапи роботи АТФ-ази

Основні етапи роботи АТФ-ази (мал. 6.3):

1. Приєднання 3 іонів Na⁺ і фосфорування ферменту усередині клітини|клітини|.

2. Транслокація I —- перенесення|перенос| центру скріплення|зв'язування| іонів Na⁺ назовні.

^3. Від'єднання 3 іонів Na⁺ і заміна їх на два К⁺

4. Відщеплення залишків фосфорної кислоти.

5. Транслокація II — перенесення|перенос| центру скріплення|зв'язування| іонів К⁺ усередину клітини|клітини|.

6. Від'єднання 2 К⁺ і приєднання 3 Na⁺, потім фосфорування ферменту.

Перенесення|перенос| 2 К⁺ усередину клітини|клітини| і викид 3 Na⁺ назовні приводить|призводить,наводить| до перенесення|переносу| одного додаткового позитивного іона з|із| цитоплазми на поверхню мембрани. Тому внутріклітинний|внутрішньоклітинний| вміст має знак (—), а позаклітинне ( + ).

У цілому|загалом| енергія, яка звільняється|визволяється| при гідролізі АТФ для здійснення активного транспорту Na⁺ і К⁺, визначається формулою:

,

де перший додаток визначає енергію для протиградієнтного перенесення|переносу| двох іонів К⁺, другий — енергію для протиградієнтного перенесення|переносу| трьох іонів Na⁺, третє — енергію на подолання|здолання| сил електричного поля, що виникає на мембрані за рахунок активного транспорту.

Малюнок 6.4-Трансцелюлярне перенесення

Всі обмінні|змінні| процеси між кров'ю і тканинною рідиною і, навпаки, здійснюються у капілярах за рахунок трансцелюлярного| перенесення|переносу|. Епітелій капіляра добре проникний для води та електролітів. Перенесення|перенос| здійснюється за градієнтом, що створюється сумою статичного і осмотичного тиску|тиснення| (мал. 6.4).

З|із| гемодинаміки відомо, що статичний тиск|тиснення|, що створюється за рахунок роботи серця, по довжині капіляра зменшується від артеріального (А) до венозного (В) кінця капіляра, причому градієнт цього тиску|тиснення| значний. Статистичний тиск|тиснення| завжди направлений|спрямований| з|із| крові до тканинної рідини.

Осмотичний тиск|тиснення| у капілярах визначається двома причинами:

1. Вмістом низькомолекулярних з'єднань|сполучень,сполук| у крові та тканинній рідині. Величина цього тиску|тиснення| досить значна (до 8 атм|), проте|однак|, воно практично однакове у цих середовищах|середі| і не створює градієнта тиску|тиснення|.

2. Вмістом колоїдних білків у плазмі крові. Величина цього осмотичного тиску|тиснення| незначна, близько 40-50 см.вод.ст., проте|однак|, різниця цього тиску|тиснення| у крові та тканинній рідині значна. Ця різниця визначає, так званий, колоїдно-осмотичний (онкотичний) тиск|тиснення|, який відіграє істотну|суттєву| роль у водно-електролітичному обміні у капілярах. Колоїдно-осмотичний тиск|тиснення| по всій довжині капіляра постійний і направлений|спрямовано| з|із| тканинної рідини у кров.

Загальний|спільний| тиск|тиснення| у будь-якій точці капіляра визначається сумою статичного та колоїдно-осмотичного тиску|тиснення|.

У|в,біля| артеріальній ділянці капілярів статичний тиск|тиснення| превалює|переважає| над колоїдно-осмотичним. Відповідно і вода спрямовується із|із| кров'яного русла у лімфу та сполучну тканину. Навпаки, у венозних ділянках капілярів статичний тиск|тиснення| опиняється не тільки|не лише| меншим, ніж у артеріальному їх кінці, але і поступається за величиною колоїдно-осмотичного тиску|тисненню|. Внаслідок цього вода із|із| сполучної тканини та лімфи рухається|сунеться| у плазму крові. У центральних ділянках капіляра колоїдно-осмотичний та статичний тиски|тиснення| взаємно компенсують один одного що, з погляду термодинаміки, відповідає стаціонарному стану, характерному|вдача| для нормального здорового організму.

По ряду|лаві,низці| патологічних процесів стаціонарний стан порушується. Порушення можуть бути слідством|наслідком| або зміни статичного тиску|тиснення| крові або зниження сумарної кількості білків крові, і, відповідно, падіння колоїдно-осмотичного тиску|тиснення|. Підвищення статичного тиску|тиснення| крові, зокрема, має місце при важкому|тяжких| гіпертонічному стані. Падіння колоїдно-осмотичного тиску|тиснення| плазми крові спостерігається при гострих крововтратах, при шокових станах та опіках, а також при гострій променевій хворобі. У останньому випадку відбувається|походить| значне збільшення проникненості капілярів, стінки яких, унаслідок|внаслідок| наступаючої|наставати| при опромінюванні|опроміненні| деполімерізації| тканинних структур, пропускають високомолекулярні речовини із|із| кров'яного русла у навколишні|довколишні| тканини. Різкі порушення водного обміну приводять|призводять,наводять|, на кінець |зрештою|, до явищ набряку. У його основі можуть лежати не тільки|не лише| підвищення гідростатичного або пониження колоїдно-осмотичного тиску|тиснення| крові, але і зміна гідрофільності сполучної тканини, зокрема, що виникає при порушенні лужно-кислотної рівноваги.