16. Химический состав мембран. Липидные и белковые компоненты. Структура молекулы фосфолипида. Вода, как структурный компонент мембраны.

Биологические мембраны построены в основном из белков, липидов и углеводов. Белки и липиды составляют основную часть сухой массы мембран. Доля углеводов обычно не превышает 10-15%, причём они связаны либо с молекулами белка (гликопротеины), либо с молекулами липидов (гликолипиды). В мембранах различного происхождения содержание липидов колеблется от 25 до 75% по массе по отношению к белку.

Липиды представлены тремя основными классами: фосфолипиды - 60, гликолипиды-10 и стероиды-30.

Наиболее широко представленными в мембранах являются фосфолипиды, а именно: глицерофосфолипиды и сфигнолипиды. В молекулах фосфолипидов выделяют полярную головку и 2 неполярных углеводородных хвоста. Полярная головка образована одним из таких соединений, как холин, треонин, этаноламин, изонит, серин, а также остатком фосфорной кислоты и молекулы глицерина или сфингозина и имеет либо нейтральный, либо отрицательный заряд; положительно заряженные головки фосфолипидов в природе отсутствуют.

Углеводородные хвосты представлены неразветвлёнными цепями жирных кислот с чётным (реже нечётным) числом атомов углерода. Чаще всего встречаются стеариновая, пальмитиновая, олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты. Один из хвостов содержит одну или более цис-двойных связей, в то время как у другого двойных связей нет. Каждая двойная связь вызывает появление изгиба в углеводородном хвосте, что значительно затрудняет гидрофобные взаимодействия между ними.

В таких структурах между молекулами фосфолипидов осуществляется два типа взаимодействия: электростатические и гидрофобные. При этом гидрофобные хвосты стремятся избегать взаимодействия с водой и укрываются в безводной внутренней области мицеллы или бислоя, а полярные головки, напротив, образуют водородные связи с молекулами воды. С термодинамической точки зрения такая структура энергетически более выгодна, так как обладает минимумом свободной энергией, а в целом система избегает неблагоприятного изменения энтропии.

Белки входящие в состав мембраны делят на периферические и интегральные белки. Периферические белки расположены на поверхности липидного бислоя и удерживаются за счёт электростатических взаимодействий между противоположными полюсами полярных групп липидов и белков. Белки прочно связанные с бислоем и интегрированные в него, получили название интегральных. Гидрофильные участки этих белков взаимодействуют с водой и головками липидов, а гидрофобные участки погружены в мембрану и взаимодействуют с углеводородными цепями липидных молекул за счёт ванн-дер-вальсовых сил. По другой классификации периферические белки часто называют монотопическими, а интегральные – битопическими (белки, пересекающие бислой один раз) и политопическими (белки, пересекающие липидный бислой несколько раз).

Мембранные белки выполняют целый ряд жизненно важных функций. Так, высокая избирательная проницаемость мембран достигается благодаря тому, что специальные белки образуют каналы, пропускающие лишь определенные ионы и молекулы, а также насосы (помпы), способные переносить вещества против градиента их концентраций. Мембранные белки-рецепторы обеспечивают передачу через мембрану внутрь клетки сигналов от внешних эффекторов, таких как гормоны, нейромедиаторы или чудеродные антигены, для которых мембрана является непроницаемой. Многие реакции протекают не в растворе, а на поверхности клеток или органелл и ускоряются также мембранными белками – ферментами и антигенами, прикрепленными к мембранам.

Вода. Особенности взаимодействия основных молекулярных компонентов мембран с водой определяют не только многие структурно-функциональные свойства мембран, но и являются решающими в процессе формирования самих мембран и стабилизации мембранных систем. Воду, входящую в состав мембран, подразделяют на связанную, свободную и захваченную. Наименьшей подвижностью отличается связанная вода, присутствующая в виде одиночных молекул в углеводородной зоне мембран. Основная часть связанной воды – вода гидратных оболочек. Гидратные оболочки образуются главным образом вокруг полярных частей молекул липидов и белков. Эта вода осмотически неактивна, она не способна растворять какие – либо вещества.

Слабосвязанная вода по подвижности и некоторым другим свойствам занимает промежуточное положение между водой гидратных оболочек и жидкой свободной водой.

Свободная вода входит в состав мембран в виде самостоятельной фазы и обладает изотропным движением, характерным для жидкой воды. Захваченная вода, обнаруживаемая иногда в центральной части мембран между липидными бислоями, по параметрам подвижности соответствует жидкой свободной воде, но медленно обменивается с внешней водой из-за физической разобщённости.