Биологические мембраны

Состоят из фосфолипидов, гликолипидов, белков и холестерина. В состав липидных компонентов мембран входят только фосфолипиды, а жира и эфиров холестерина в мембранах нет. Липидные участки мембран построены из фосфолипидов (ФЛ), гликолипидов (ГЛ) и ХС.

Мембраны можно рассматривать как белково-липидные комплексы. Белки и липиды, входящие в состав этих комплексов, связаны слабыми типами связей, из которых наиболее часто встречается гидрофобное взаимодействие. Соотношение белков и липидов в различных мембранах разное. Но в большинстве плазматических мембран 50% белков и 50% липидов. Но есть мембраны, в которых много белков: внутренняя мембрана митохондрий на 80% состоит из белков, и только 20% составляют липиды. В миелиновых оболочках нервов, наоборот, 80% - липиды и 20% - белки. ХС встречается в основном в в плазматических мембранах.

В состав мембран входят только ЛИПОИДЫ (сложные липиды): ФОСФОЛИПИДЫ (ФЛ), ГЛИКОЛИПИДЫ (ГЛ) и из стероидов - ХОЛЕСТЕРИН (ХС).

ФОСФОЛИПИДЫ.

Основу мембран составляют ФОСФОЛИПИДЫ - это липиды, содержащие ФОСФАТНЫЙ ОСТАТОК.

Состоят из четырех компонентов:

1) спирт

2) жирные кислоты

3) фосфат

4) полярная группировка (Если это СЕРИН, то глицерофосфолипид называют ФОСФАТИДИЛСЕРИН, если ХОЛИН, то глицерофосфолипид называют ФОСФАТИДИЛХОЛИН, если ЭТАНОЛАМИН, то глицерофосфолипид называют ФОСФАТИДИЛЭТАНОЛАМИН, если ИНОЗИТ, то глицерофосфолипид называют ФОСФАТИДИЛИНОЗИТ).

ОБЩАЯ ФОРМУЛА ГЛИЦЕРОФОСФОЛИПИДОВ :

В состав фосфолипидов могут входить 2 спирта: глицерин (глицерофосфолипиды) и сфингозин (сфингофосфолипиды, сфингомиелины). Все компоненты соединены эфирными связями. Кроме разделения на основе содержания той или иной полярной группы, их делят на основе содержащегося в них спирта:

1. ГЛИЦЕРОФОСФОЛИПИДЫ (ГФЛ) - содержат спирт глицерин.

Все они относятся к L-ряду. Есть асимметрический углеродный атом (на рисунке обозначен звездочкой). Полярная группировка может быть представлена аминокислотой серином (фосфатидилсерин), холином (фосфатидилхолин, другое название – лецитин), этаноламином (фосфатидилэтаноламин), инозитолом (фосфатидилинозитол), глицерином (полиглицерофосфатиды).

В природных фосфолипидах R₁ и R₂ - разные. R₁ - насыщенная жирная кислота, R₂.- ненасыщенная жирная кислота. Однако, есть и исключения: основным липидным компонентом легочного сурфактанта является ГФЛ, у которого и R₁, и R₂ – радикалы пальмитиновой кислоты, а полярная группировка – холин.

2. СФИНГОФОСФОЛИПИДЫ (СФЛ) - содержат спирт сфингозин: СФИНГОМИЕЛИНЫ.

Сфингофосфолипиды бывают различными по строению, но имеют общие черты. Молекула сфингофосфолипида содержит сфингозин, жирную кислоту, фосфорную кислоту и полярную группировку.

ОБЩАЯ ФОРМУЛА СФЛ представлена на рисунке.

Сфингозин - это 2-хатомный непредельный аминоспирт.

Жирная кислота присоединена пептидной связью к аминогруппе сфингозина.

Фосфолипиды - это амфифильные вещества. Расположение гидрофильных и гидрофобных участков особое. Гидрофильные участки (остаток фосфорной кислоты и полярная группировка) образуют "головку", а гидрофобные радикалы жирных кислот (R₁ и R₂) образуют "хвосты".

Поэтому молекулу фосфолипида обозначают:

ГЛИКОЛИПИДЫ.

Состоят из сфингозина, жирной кислоты и молекулы какого-либо углевода. Если в формулу СФЛ вместо фосфорной кислоты поставить какой-нибудь углевод, то получим формулу ГЛ. Гликолипиды тоже имеют гидрофильную "головку" и 2 гидрофобных "хвоста". Общая схема их строения представлена на рисунке:

Гликолипиды классифицируют в зависимости от строения углеводного компонента.

Различают 2 группы гликолипидов:

1. ЦЕРЕБРОЗИДЫ. В качестве углеводного компонента содержат какой-либо моносахарид (глюкоза, галактоза), либо дисахарид, или нейтральный небольшой олигосахарид.

2. ГАНГЛИОЗИДЫ. Углеводным компонентом является олигосахарид, состоящий из разных мономеров, как самих моносахаридов, так и их производных. Этот олигосахарид обязательно кислый, в его состав обязательно входит сиаловая кислота. Благодаря определенной последовательности мономеров, олигосахариды в составе ганглиозида придают молекуле выраженные антигенные свойства.

СТЕРОИДЫ.

Делятся на 2 группы.

1. Стерины (в их составе полициклическая стуктура стерана).

2. Стериды (эфиры холестерина и высших жирных кислот).

Свойства стероидов.

Стерины содержат гидроксильную группу (-ОН), поэтому они немножко гидрофильны, но всётаки их молекулы в основном гидрофобны. К ним относится холестерин.

Холестерин является полициклическим веществом. Преобладают гидрофобные свойства, но есть одна ОН-группа.

Стериды являются полностью гидрофобными веществами.

ФЛ и ГЛ вместе называют "полярные липиды". Если смешать полярные липиды с водой, то наблюдается взаимодействие между ними и при определенных условиях полярные липиды могут спонтанно образовывать бимолекулярный слой (бислой), схематично представленный на рисунке:

Между "головками" ионные, водородные связи, между "хвостами" - гидрофобное взаимодействие. Липидная часть мембраны состоит из таких липидов.

Свойства бислоя липидов:

1. Маленькая толщина - в 2 молекулы (4-13 нм)

2. Высокая эластичность. При 37^оС липоиды находятся в жидком состоянии. Значит, возможны перемещения, однако скорость их диффузии в 100 раз меньше, чем у молекул воды.

Виды движений: а)в пределах своего монослоя; б) вращательные движения; в) флуктуация "хвостов".

Переход молекулы из одного слоя в другой - это редкое явление.

В настоящее время мембрана рассматривается как жидкокристаллическая структура. Наряду с диффузией имеется упорядоченность.

3. Третье свойство бислоя: низкая электропроводность. Поэтому липидный бислой является хорошим диэлектриком.

4. Четвертое свойство связано с избирательной проницаемостью липидного бислоя.

Сквозь него могут свободно проходить небольшие электронейтральные молекулы кислорода, углекислоты, азота, а также вещества, имеющие гидрофобную природу. Например, стероидные гормоны, обладающие внутриклеточным механизмом действия, широко применяются в медицине, в том числе и местно - они способны проникать даже через кожу, слизистую оболочку глаз (лечение кожных и глазных заболеваний). Органические растворители тоже проникают внутрь через кожу или легкие при вдыхании паров. Поэтому возможны отравления этими веществами через кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути.

Заряженные молекулы через билипидный слой не проникают. Поэтому транспорт таких молекул осуществляют специальные мембранные транспортные белки.

Кроме липоидов, мембрана содержит и белки.

Встречаются 2 типа белков:

1. Периферические белки - взаимодействуют с "головками" полярных липидов электростатически.

2. Интегральные белки - взаимодействуют как с "головками" липидов, так и с гидрофобными "хвостами". В интегральных белках преобладают гидрофобные аминокислоты.

Белки, как и липоиды, слабо связаны с мембранами. Поэтому периферические белки часто сравнивают с льдинами, которые плавают по морю, а интегральные - с айсбергами. Имеются также специальные белки ("якорные"), которые прикрепляют мембрану к белкам цитоскелета.