Взаимодействия мембранных компонентов и их роль в функционировании биомембран

В основе взаимосвязи мембранных компонентов лежат гидрофобные, электростатические взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса.

Гидрофобные взаимодействия обусловлены отталкиванием неполярными группами веществ молекул воды. Они определяют агрегацию неполярных молекул в водных растворах, формирование пространственной структуры белков, образование липидных мицелл и ламеллярных структур, локализацию белков в биомембранах.

Силы Ван-дер-Ваальса играют важную роль во взаимодействиях незаряженных молекул и обусловлены ориентационными, индукционными и дисперсионными взаимодействиями.

Электростатические взаимодействия возникают между заряженными частицами. Они существенны на поверхности мембраны, в области контакта цвиттерионных полярных головок липидов, образуются также между отдельными ионогенными группами белков и липидов.

Липид-липидные взаимодействия определяются гидрофобными взаимодействиями углеводородных цепей, липид-белковые —дисперсионными, электростатическими, гидрофобными взаимодействиями и водородными связями.

Липид-белковые взаимодействия условно подразделяют на взаимодействия типа белок-липидный монослой, белок-липидный бислой, а также липид-белковые взаимодействия, включающие липид-зависимые ферменты. Взаимодействия белок-липидный монослой обнаруживают при включении в монослои радиоактивно меченых белков. Электростатические взаимодействия между белками и монослоем проявляются как резкое изменение сорбции белков на заряженных монослоях при отклонении от изоэлектрической точки белков. Взаимодействия белок-липидный бислой — высокоспецифичные многостадийные процессы, завершающиеся встраиванием белков в мембрану. Критерием встраивания белков в мембрану является изменение ее ионной проницаемости.

При объяснении липид-белковых взаимодействий оперируют термином «пограничный липидный слой», который был введен в связи с распространением концепции о существовании особого стационарного слоя липидов, связанного с поверхностью белковой молекулы. В этом слое физико-химические параметры липидов отличаются от таковых в основной части бислоя. Под «стационарностью» понимают отсутствие обмена молекулами за время, сравнимое с временем оборота фермента ( 10^-3 с). Пограничные липиды называют также аннулярными.

UNIT 22 Systems, Parameters and State Functions

The question of what kind of model we should use, what we should consider as a system, and what are its elements, depends exclusively on the particular problem, and the corresponding point of view. An element may be a system itself, extending the problem. An organism, for example, as an element in an ecological system can become a system itself, if we ask a physiological question such as what are the interactions between its organs. The organ can be considered a system of cells, the cell as a system of organelles, and so on.

A dynamic system can be analyzed in different ways. In contrast to system theory, which calculates the kinetic interplay of individual elements, thermodynamics considers a system simply as a continuum which stands in a defined interrelation with its environment. The limit of this continuum does not have to be a wall or a membrane. It can also be a process that changes the quality of the subject of study. Chemical reactions as well as processes of proliferation and evolution are examples of this.

In thermodynamics, systems are classified as follows according to the nature of their boundary against their environment:

- The isolated system: this is an idealized system that does not exchange any kind of energy or matter with its environment.

- The closed system: this system can exchange all kinds of energy with its environment, but not matter.

- The open system: it can exchange both energy and matter with its environment.

The closed system can be influenced by its environment, and can cause changes in its environment. However, it cannot be involved in an exchange of matter.

The state of a system can be described by a number of state variables. These are either extensive or intensive parameters. Intensive parameters are non-additive. They are independent of the size of the system (e.g. temperature, concentration, pressure, density). Extensive parameters on the other hand, are additive when two systems are combined (e.g. mass, volume).

Changes in a system are often characterized by differentials of its state variables. A differential describes a very small change of a dependent variable (dy), if in a function y = f(x), a small change in the variable (dx) occurs. It can be calculated from the product of the first derivative of the function f(x), multiplied by dx: dy=f'(x)dx.

Define the following words using a dictionary

A derivative, a differential, the interplay, a continuum, a variable

Complete the sentences

1. The question of what kind of model we should use…
2. The organ can be considered…
3. In contrast to system theory…
4. In thermodynamics, systems are classified…
5. Changes in a system are often characterized…
6. The closed system can be influenced by…