Биологические мембраны

Мембраны – это универсальная форма структурной организации живой материи. Биологические мембраны или биомембраны, формируют внешнюю границу клетки, делят объем цитоплазмы клетки на отсеки, или компарменты, в которых осуществляются метаболические реакции.

Мембрана содержит липиды и белки, а также небольшое количество углеводов в составе гликосфинголипидов и гликопротеинов. Биомембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру, согласно которой мембрана состоит из бислоя сложных липидов (фосфолипидов, гликолипидов, стеролов), в которых находятся глобулярные белки.

Рисунок 6 – Схема строения двойного липидного слоя в биомембране

Липиды в бислое расположены так, что их гидрофобные хвосты (углеводородные остатки жирных кислот) направлены внутрь мембраны на встречу друг другу и частично перекрываются, обе поверхности бислоя составлены гидрофильными головками липидов – фосфолипидов. Белки, встроенные в липидный бислой мембраны, могут быть перефирийными или интегральными. Перефирийные белки связаны с полярной поверхностью бислоя относительно слабыми водородными связями и легко извлекаются из мембраны. Интегральные белки погружены в липидный слой, иногда пронизывают ее насквозь. Удерживаются они значительно прочнее за счет большего числа гидрофобных взаимодействий, водородных и других связей.

Биомембраны ассиметричны, их наружная поверхность отличается по свойствам от внутренней поверхности. Ассиметричность биомембраны обусловлена главным образом различием в природе белков, располагающихся на внешней и внутренней поверхности биомембраны.

Все биомембраны имеют принципиально одинаковую структуру, отличаясь только в деталях. Они могут иметь различные по химическому составу липиды в бислое, разные жирно-кислотные остатки в составе фосфолипидов, разные типы (по химическому строению, гидрофильным и гидрофобным свойствам) встроенных белков. Соотношение липид:белок в биомембране также может варьировать.

Биомембраны представляют собой не просто оболочки клеток и субклеточных структур, но и выполняют ряд важнейших разнообразных функций:

1. Играют роль механического барьера. Участвуют в формировании клеточных структур, ограничивают их от внешней среды;

2. Выполняют транспортную функцию. Транспортные системы, локализованные в мембранах, обеспечивают перенос определенных соединений. В качестве транспортных систем в мембранах выступают специфические транспортеры. К ним относят ионофоры, которые увеличивают скорость диффузии ионов через мембрану, и представляют собой токсины, синтезирующиеся грибами и бактериями. Также специфическими транспортерами являютсябелки. Перенос небольших молекул и ионов через мембраны обеспечивается следующими типами интегральных мембранных белков: каналами и порами; пассивными и активными транспортерами. Белки, формирующие каналы и поры, содержат гидрофильный проход, который позволяет молекулам и ионам с подходящим размером, зарядом и геометрической конфигурацией проникать через мембрану в каком-либо направлении. Активные и пассивные транспортеры, в отличие от каналов и пор, специфически связывают субстрат и транспортируют его через мембрану, изменяя свою конформацию. Пассивные транспортеры способны перемещать молекулы по концентрационному градиенту и не требуют затрат энергии. Для функционирования активных транспортеров, переносящих субстраты против концентрационного градиента, необходимы затраты энергии. При первичном активном транспорте энергия поставляется непосредственно за счет гидролиза АТФ, энергии света или электронного транспорта. Вторичный активный транспорт обеспечивается с помощью ионных градиентов.

3. Выполняют разделительную функцию. Биомембраны регулируют поток веществ внутрь клетки и из нее, что важно для сохранения постоянства внутриклеточной среды.

4. Имеют избирательную проницаемость,которая основана на системах специфичности транспортных белков, способных узнавать определенное соединение и проводить его через мембрану.

5. Важнейшая функция биомембран – генерирование биоэлектрического потенциала, аккумулирование и трансформация энергии. Мембраны являются теми клеточными структурами, благодаря которым возможна трансформация осмотической и электрической форм энергии в энергию макроэргической фосфатной связи (~) АТФ. Так, процессы фотосинтеза и дыхания осуществляются, соответственно, в мембранах хлоропластов и митохондрий. Например, при дыхании энергия освобождается в мембранах митохондрий и используется в процессах биосинтеза различных веществ.

6. Выполняют рецепторную функцию. В связи с наличием в мембранах специфических белковых рецепторов клетки способны воспринимать внешние сигналы и в ответ на них перестраивать свой обмен веществ.

7. Выполняют адгезивную функцию, благодаря которой клетки способны взаимодействовать друг с другом, что существенно, в частности, при формировании тканей.

8. Обеспечивают важнейшие метаболические процессы. Это связано с тем, что в большинстве мембран содержаться ферменты и ферментные комплексы, которые способны осуществлять различные метаболические процессы.

Метаболизм липидов

Жиры в организме человека и животных являются запасными веществами и служат источником энергии.

Наиболее интенсивно процессы метаболизма липидов протекают в семенах масличных растений и в жировой ткани человека и животных.