Структура и модели мембран

В состав мембраны входят молекулы липидов (веществ на основе жирных кислот). Молекула липида состоит из двух частей: диполь-

ной головки и углеводородного хвоста. Этот хвост представляет собой две цепочки атомов углерода, в которых к каждому из атомов углерода присоединены один или два атома водорода. По своему составу и строению эти цепочки сродни молекулам парафина и тоже не смачиваются водой, гидрофобны. Дипольные головки, напротив, гидрофильны, так как их диполи могут притягиваться к диполям воды. На рисунке 11.2 показан разрез участка мономолекулярного слоя липидного матрикса.

Рис. 11.2. Разрез участка мономолекулярного слоя липидного матрикса; кру-

Слой не распадается по двум причинам: 1) дипольные головки притягиваются сильнее к диполям воды (взаимодействие разноименных зарядов), чем отталкиваются друг от друга (взаимодействие одноименных зарядов головок); 2) из-за наличия водородных связей между углеводородными хвостами.

Структурную основу любой мембраны составляет двойной фосфолипидный слой (рис. 11.3). Молекулы фосфолипидов ориентированы так, что их гидрофильные головки выходят наружу и образуют внешнюю и внутреннюю поверхности мембраны, а гидрофобные «хвосты» обращены к середине бимолекулярного слоя, т.е. внутрь мембраны. Гидрофильные головки взаимодействуют с внешними белковыми слоями и молекулами воды вне и внутри клетки и образуют с ними водородные связи.

Рис. 11.3. Схематичное строение мембраны:

L - толщина мембраны; пб - поверхностные белки; иб - интегральные белки; к - белки, формирующие ионный канал (пору)

Двойной фосфолипидный слой выполняет функции матрицы для различных белков (на одну молекулу белка приходится 75-90 молекул липидов). Белки как бы плавают в липидном слое.

Поверхностные белки (пб). Эти белки располагаются на внешней и внутренней поверхностях мембраны, удерживаясь преимущественно электростатическими силами. Такие белки занимают 75-80 % поверхности. Белковые молекулы покрывают мембрану с обеих сторон и придают ей эластичность и устойчивость к механическим повреждениям.

Интегральные белки (иб). Эти белки могут пронизывать двойной слой липидов насквозь. Такие белки являются главным компонентом, ответственным за избирательную проницаемость клеточной мембраны. Некоторые из них (к) образуют систему селективных каналов (пор) или функционируют как ионные насосы и регулируют, например, электрохимическую систему возбуждения клетки. Диаметр каналов составляет 0,35-0,8 нм. Количество их относительно невелико (например, в эритроцитах вся площадь каналов составляет 0,06 % от площади поверхности). Полярные группы молекул белков в каналах направлены в сторону отверстия каналов, а неполярные вступают во взаимодействие с молекулами липидов. Стенки каналов обладают электрическими зарядами.