Подвижность молекулярных компонентов

В МЕМБРАНЕ

Гидрофобный эффект объединяющий молекулярные компоненты в мембранах, препятствует их выходу в водную фазу за пределы мембраны. В то же время силы межмолекулярного взаимодействия обычно не мешают молекулам в мембранах обмениваться друг с другом местами, поскольку площадь контакта между водой и гидрофобными участками при этом практически не изменяются. Вследствие этого молекулярные компоненты в мембранных системах сохраняют индивидуальную подвижность и могут диффузионным путем передвигаться в пределах мембраны.

Рассмотрим подвижность и типы движения основных молекул, входящих в состав биологической мембраны.

Для измерения подвижности отдельных липидов и их частей используют разнообразные методы. Так к полярной головке липида можно присоединить «спиновую метку», например нитроксильную группу (=N-О), имеющую неспаренный электрон. Спин этого электрона порождает парамагнитный сигнал, который обнаруживается методом электронного парамагнитного резонанса. Этот метод позволяет легко определить движение и ориентацию в бислое подобного спин – меченного липида. Такие опыты показали, что молекулы липидов легче всего осуществляют вращательные движения вокруг своей длинной оси. Время корреляции вращательного движения τ_с молекул (время поворотов на угол в 1) спин – меченых фосфолипидов, стеринов и жирных кислот в различных модельных и природных мембранах, находящихся в жидком составляет ≈10^-9с. Вращательное движение имеет достаточно малое время корреляции и температуру ниже точки плавления жирно-кислотных цепей липидов в мембранах.

Латеральная диффузия. Липидные молекулы без труда меняются местами со своими соседями в пределах одного монослоя. Такое перемещение молекул обычно называют латеральной диффузией. Липидная молекула средних размеров диффундирует на расстоянии, равное длине большой бактериальной клетки (≈2 мкм), ≈ за 1с. Скорость латеральной диффузией существенно зависит от липидного состава мембран и температуры.

Флип-флоп переходы. Другой тип движения молекул липидов в мембранных системах – это трансбислойное движение (флип-флоп-переход). Исследование движения спин – меченых липидов показывают, что липидные молекулы в синтетических мембранах чрезвычайно редко пересказывают из одного монослоя мембраны в другой. Этот процесс имеет особое физиологическое значение, так как процесс биосинтез фосфолипидов и сборка мембраны протекают асимметрично. Активные центры ферментов биосинтеза фосфолипидов локализованы на одной, а не на двух сторонах мембраны. Например, фосфолипиды синтезируются и внедряются в мембрану на цитоплазматической стороне эндоплазматического ретикулума печени крысы и на внутренней стороне бактериальной цитоплазматической мембраны. Ясно, что эти липиды должны пересечь мембрану, чтобы достичь противоположной стороны бислоя.

Скорость трансмембранной миграции фосфолипидов в фосфолипидных везикулах пренебрежимо мала: ее характерное время составляет несколько суток или любая индивидуальная молекула липида осуществляет подобный флип-флоп-перескок реже, чем 1 раз в неделю. Такая малая скорость перехода связана с необходимостью преодолеть полярной головке липида углеводородную зону мембраны. Флип-флоп-переход может ускоряться в присутствии таких интегральных мембранных белков, как гликофорин, или при возмущениях в бислое, происходящих, например, при обработке фосфолипазами.

Однако имеются мембраны, в которых миграция липидов протекает очень быстро, с характеристическим временем порядка нескольких минут. Такие данные по лучены для эндоплазматического ретикулума печени крысы, а также для цитоплазматической мембраны грамположительных бактерий В. megaterium. В этих мембранах происходит синтез липидов, и в них, по-видимому, присутствуют специальные транслоказы, которые обеспечивают быструю трансмембранную миграцию липидных молекул. Такое предположение было высказано в отношении эндоплазматического ретикулума, но оно пока не нашло экспериментального подтверждения. Характерное время трансмембранной миграции липидов в мембране эритроцитов имеет промежуточное значение и составляет величины порядка нескольких часов в зависимости от структуры изучаемого липида. Было установлено, что скорость миграции возрастает при нарушениях цитоскелета, а также под действием агентов, влияющих на структуру липидного бислои (например, грамицидина А). Возможно, цитоскелет играет определенную роль в уменьшении скорости миграции липидов через бислои благодаря связыванию аминофосфолипидов. Характерно, что ни эндоплазматический ретикулум, ни бактериальная цитоплазматическая мембрана, для которых характерна высокая скорость флип-флопа перехода липидов, не связаны с цитоскелетом.

Иллюстративный материал: к лекции прилагаются слайды в виде презентации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Физика и биофизика : руководство к практ. занятиям: учеб. пособие / В. Ф. Антонов [и др.]. - 2-е изд., испр. и доп. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 336 с.

2. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. СПб.: СпецЛит, 2004. –496 с.

3. Рубин А.Е. Биофизика. Т1, Т2 М.: Университет «Книжный дом», 2004.

4. Физика и биофизика: Учебник / В. Ф. Антонов, Е. К. Козлова, А. М. Черныш. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 472 с. : ил.

5. Физика и биофизика. Краткий курс: Учебное пособие для вузов / В. Ф. Антонов, А. В. Коржуев. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 256 с.: ил.

6. Физика и биофизика: Курс лекций для медвузов / Антонов, Валерий Федорович, Коржуев А.В. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2007. - 236 с.

7. Медицинская и биологическая физика: Учеб.для вузов / Ремизов, А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. - 7-е изд., стереотип. - М. : Дрофа, 2007. - 558 с. : ил. - (Высшее образование).

8. Медицинская и биологическая физика : учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Г. Максина, А. Я. Потапенко . - 10-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2011. - 558 с. : ил.

9. Учебник по медицинской и биологической физике / Ремизов А.Н., Максина А.Г., Потапенко А.Я. - Изд.5-е, стереотип.6-е изд., стер. - М. : Дрофа, 2004, 2005. - 560 с. : ил.

10. Медицинская и биологическая физика: Курс лекций с задачами: Учеб. пособие / В. Н. Федоров, Е. В. Фаустов. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010, 2008. - 592 с.

11. Физика и биофизика: учебник для вузов / В.Ф Антонов [и др.]. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2008. - 480 с.: ил.

Контрольные вопросы (обратная связь):

1. Почему врачу надо знать основы мембранологии?

2. Какими методами изучают строение мембран и почему?

3. Для чего используют модельные системы?