15. Мембранология как наука. Определение понятия биологическая мембрана. Функции мембраны. Современная жидко – кристаллическая мозаичная модель мембраны.

Биофизика мембран – важнейший раздел биофизики клетки, имеющий большое значение для биологии. Многие жизненные процессы протекают на биологических мембранах. Нарушение мембранных процессов – причина многих патологий. Живая клетка – открытая система. Важнейшим условием существования клетки и, следовательно, жизни – нормальное функционирование биологических мембран.

Три основные функции биологических мембран:

1). Барьерная – обеспечивает селективный, регулируемый, пассивный и активный обмен веществом с окружающей средой (регулируемый – проницаемость мембран для определенных веществ меняется в зависимости от генома и функционального состояния клетки).

2). Матричная – обеспечивает определенное взаимное расположение и ориентацию мембранных белков, обеспечивает их оптимальное взаимодействие.

3). Механическая – обеспечивает прочность и автономность клетки, внутриклеточных структур. Кроме того, биологические мембраны выполняют и другие функции: а). Энергетическую – синтез АТФ на внутренних мембранах митохондрий и фотосинтез в мембранах хлоропластов, б). Генерацию и проведение биопотенциалов, в). Рецепторную (механическая, акустическая, обонятельная, зрительная, химическая, терморецепция – мембранные процессы) и многие другие функции.

В настоящее время наиболее широкое признание получила жидко-мозаичная модель устройства биологических мембран, предложенная в 1972 году С.Сингером и Г.Николсоном. Согласно этой модели, основу мембраны составляет липидный бислой, в который погружены белки. Белки, интегрированные в бислой, удерживаются в нём за счёт ван-дер-вальсовых взаимодействий с углеводородными цепями молекул липидов. Белки, расположенные на поверхности мембраны, образуют нековалентные взаимодействия с интегрированными в бислой белками и заряженными головками липидов.

Жидкомозаичная модель допускает возможность движения липидов и белков, которые способны передвигаться только в плоскости мембраны, создавая за счёт контактных взаимодействий небольшие агрегаты с белками того же типа. Таким образом, в данной модели особая роль отводится динамическому характеру мембраны и зависимости функционирования белковых молекул от физических свойств окружающих их липидов.

В 1977 году М.Джейном и Г.Уиттом была предложена доменная модель устройства биологической мембраны. Согласно этой модели, основу мембраны составляет липидный бислой с погруженными в него скоплениями, пластинками и платформами, не связанными жестко друг с другом. Упорядоченные домены могут состоять из одних липидов или только белков. Кроме того, домены могут состоять из разнородных компонентов – белков и липидов. Отдельные домены отличаются по своим физико-химическим характеристикам и разделены между собой полями относительно жидких липидов или разупорядоченными участками липидного бислоя. Некоторые из платформ пронизывают липидный бислой мембраны, другие находятся ближе к поверхности. Размер, форма, время жизни, подвижность таких доменов окончательно не выяснены.

Предполагается, что даже в организованных доменах могут быть структурные дефекты нескольких типов: разрывы, дислокации, субструктурные фазы. Возможно, что эти дефекты мембран служат своеобразными каналами, через которые осуществляется диффузия молекул по градиенту концентрации.