Биологические мембраны. Строение и основные функции

Л.В. Яковенко, Е.А. Генералов





                БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ




Строение и основные функции


Учебно-методическое пособие для студентов 1-го курса физического факультета МГУ






юмс)*,


KMK SCIENTIFIC PRESS

Москва 2022



�ДК 536.7




Яковенко Л.В., Генералов Е.А.Биологические мембраны. Строение и основные
    функции. -М.: Товарищество научных изданий КМК, 2022. - 90 с.


    В пособии кратко и доступно изложены основы биофизики клеточных мембран в объеме, необходимом для освоения учебного курса «Биофизика», предусмотренного рабочим планом физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. Оно рассчитано на студентов 1-го курса (2-й семестр), хорошо владеющими основами математического анализа, механики и имеющими представление о молекулярной физике. В то же время пособие может быть полезно и студентам более старших курсов, которым требуется быстро вспомнить пройденный материал по биофизике мембран. Пособие состоит из двух частей, каждая из которых сопровождается дополнением, предназначенным для студентов, желающих подробнее разобраться в обсуждаемых в пособии вопросах.




Печатается по решению методической комиссии кафедры биофизики физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова


Рецензенты:
Гапочка Михаил Германович - докт. биол. наук, доцент кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.
Мещерский Илья Григорьевич - канд. биол. наук, старш. научн. сотр. Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН.


Оригинал-макет предоставлен авторами, текст печатается в авторской редакции.









ISBN 978-5-907533-52-3

© Яковенко Л.В., Генералов Е.А., 2022.
                         © ООО «КМК», издание, 2022.



   Содержание

      Предисловие.......................................................4
    Часть 1. Состав, строение и основные физико-химические свойства мембран.5
      Введение..........................................................5
      1.1. Состав и структура мембран...................................8
      1.2. Основные функции мембранных белков..........................11
      1.3. Диффузия - основа пассивного транспорта через мембраны......13
        1.4. Роль белков в пассивном транспорте. Облегченная диффузия..14
      1.5. Осмос обусловливаетдвижение воды через мембрану.............21
        Аквапорины - специальные водные каналы мембран.................23
      1.6. Активный транспорт..........................................24
        Модель Олберса-Поста для натриевого насоса.....................27
          Энергетика Na-насоса.........................................30
        Сопряженный транспорт глюкозы..................................31
          Энергетика сопряженного транспорта глюкозы...................32
      1.7. Электрические характеристики мембран........................33
      1.8. Мембранный потенциал........................................35
    Дополнения к части 1...............................................39
        Диффузия.......................................................39
        Уравнение Нернста..............................................42
        Электрохимический потенциал. Свободная энергия.................45
        Осмос..........................................................48
        Доннановское равновесие........................................50
        Уравнение Гольдмана-Ходжкина-Катца.............................51
    Часть 2. Возбудимость. Потенциал действия и нервный импульс........56
      2.1. Общие представления о нервной системе.......................59
      2.2. Пассивные электрические характеристики мембран. Кабельное уравнение 64
      2.3. Феноменология потенциала действия...........................72
    Дополнение к части 2...............................................85
        Генерация потенциала действия..................................85
      Использованная литература........................................89
      Рекомендуемая литература.........................................89
        Основная.......................................................89
        Дополнительная.................................................90

3



    Предисловие

     Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для студентов первого курса физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. Оно включает в себя с некоторым избытком материал двух семинаров по общему курсу «Биофизика», посвященных основам биофизики клеточных мембран, и состоит из двух частей. В первой части рассмотрены состав, строение и основные физико-химические свойства мембран, вторая часть посвящена возбудимости, генерации потенциала действия и нервного импульса. Из-за ограниченного объема пособия материал излагается с большими, но не критическими упрощениями. В тексте в некоторых случаях намеренно оставлены повторы. Это не мешает восприятию материала и позволяет надеяться, что он будет лучше усвоен.
     Семинары по биофизике мембран проводятся после семинаров по следующим темам: вода и водные растворы, межмолекулярные взаимодействия, строение и функции биополимеров: белков, углеводов и нуклеиновых кислот, основы цитологии. В связи с тем, что ко времени проведения семинаров студенты, в соответствии с учебным планом, изучили механику, математический анализ, приступили к изучению молекулярной физики и линейной алгебры и сильно различаются по уровню подготовки, каждая часть пособия разделена, в свою очередь, на две части - основную и дополнительную. Предполагается, что материала основной части достаточно для освоения основ этого раздела курса, и он доступен для большинства студентов-физиков. Для тех студентов, кто хочет глубже разобраться в деталях физических моделей, используемых для описания свойств мембран, в дополнениях приведены выводы уравнений, используемых в основном тексте пособия.
     По каждому семинару предусмотрены простые домашние задания из нескольких задач, которые размещаются на сайте кафедры биофизики физического факультета МГУ

4



           Часть 1. Состав, строение и основные физикохимические свойства мембран



     Введение


     Когда клетки были только открыты (рис. 1.1), их считали некими «мешочками», заполненными живой протоплазмой.

Рис. 1.1. Зарисовка Р.Гука увиденной им под микроскопом коры дерева (1665 г.). Эти структуры он назвал клетками

     Спустя два века стало понятно, что клетка - «элементарная частица» живого, но, в отличие от элементарных частиц неживой природы, устроена очень сложно. Все организмы состоят из клеток, и новые клетки появляются только из уже существующих за счет их деления¹.
     Под микроскопом видно, что в клетке происходит постоянное движение протоплазмы, но она не вытекает за пределы клетки. Для того, чтобы клетка не растекалась по субстрату и не растворялась в окружающей среде, она должна иметь какую-то границу.
     Во второй половине XIX в. выяснилось, что клетка отделена от окружающей среды некой перепонкой, состоящей из жироподобных веществ,

      ¹ Вирусы и вироиды представляют собой неклеточные формы жизни, но организмами они не считаются, так как самостоятельно воспроизводиться не могут. Им нужна специальная среда обитания - клеточные формы жизни.

5



�олучившей название клеточной мембраны. У растений, грибов и бактерий поверх мембраны есть еще одна структура - клеточная стенка, защищающая клетку от механических повреждений и прочих неблагоприятных факторов окружающей среды.
     Дальнейшие исследования показали, что клеточная мембрана представляет собой тонкий, толщиной всего в две молекулы, слой из веществ, относящихся к классу липидов. Такая структура называется липидным бислоем. В общем случае липидами называют вещества, которые растворяются в органических растворителях (бензин, хлороформ, спирт и т.п.) лучше, чем в воде. В состав мембраны входят не любые липиды, а только устроенные особым образом. Помимо липидов в клеточную мембрану входят белки, составляющие не менее 50% от ее массы.
     У клеток разных форм жизни мембраны устроены по-разному, но принцип строения у них общий: они всегда представлены липидным бислоем, образованным мембранными липидами. Мембранные липиды относятся к амфифилам, т.е. веществам, молекулы которых имеют две части: одну -жирную, плохо растворимую в воде, поэтому называемую гидрофобной, и другую - гидрофильную, несущую заряженные группы атомов и хорошо растворимую в воде. Так называемый гидрофобный эффект состоит в том, что энергия взаимодействия гидрофобных молекул или частей молекул с водой очень велика, поэтому, если есть возможность, они слипаются, чтобы сделать область контакта с водой как можно меньше и, тем самым, уменьшить свободную энергию системы². Это общий термодинамический принцип: система, имеющая минимальную возможную свободную энергию устойчива, и, чтобы ее вывести из этого состояния, надо совершить работу. Если взять очищенные мембранные липиды и смешать их с водой, то из-за гидрофобного эффекта липидный бислой образуется сам по себе (могут образовываться и другие структуры, например, мицеллы, липосомы). Это так называемое явление самосборки, которое характерно для многих биологических систем. В

      ² Понятие свободной энергии будет обсуждено позже.

6



�ипидном бислое гидрофобные участки молекул липидов спрятаны внутри, а гидрофильные контактируют с окружающей средой. Толщина бислоя из липидов составляет 3-5 нм в зависимости от условий и состава липидов.
     Клеточная мембрана проницаема для одних веществ и непроницаема для других. Перенос веществ через мембрану осуществляется разными способами, которые подразделяются на пассивный и активный транспорт веществ и ионов через мембрану. Пассивный транспорт обусловлен диффузией, а активный транспорт происходит с использованием энергии специальных химических реакций.
     Еще во второй половине XIX в. было установлено, что живая клетка поддерживает на мембране разность электрических потенциалов в 30-90 мВ, причем внутри она заряжена отрицательно³. Эта разность потенциалов, называемая мембранным (или трансмембранным) потенциалом, исчезает после гибели клетки. Тогда же было установлено, что солевой состав клетки сильно отличается от состава внеклеточной среды, например, крови или морской воды (как правило, внеклеточная среда жидкая). Так же как мембранный потенциал, эта разница в солевом составе исчезает после гибели клетки. Таким образом, эти свойства клетки обусловлены процессами, связанными с ее жизнедеятельностью, и клетка тратит довольно много энергии на поддержание солевого состава и трансмембранной разности потенциалов. В стационарном состоянии мембранный потенциал постоянен и называется потенциалом покоя. У некоторых клеток (нервных, мышечных, железистых) мембранный потенциал изменяется при поступлении каких-либо сигналов (например, химических, электрических, механических). В этом случае говорят о возбужденном состоянии клетки, а изменения мембранного потенциала называют потенциалом действия. Вопрос о генерации потенциала действия будет рассмотрен во второй части пособия.

      ³ В настоящее время принята система знаков, в которой омывающий клетку раствор имеет электрический потенциал, равный нулю. Ранее система знаков была обратной.

7



    Совершенствование методов микроскопии, микроскопа и других методов исследования во позволило получить детальные представления о

появление электронного второй половине XX в. структуре и свойствах

клеточных мембран.
     Все клеточные формы жизни делятся на прокариот и эукариот Прокариоты (бактерии и археи) - одноклеточные. Их клетки не содержат ядра и клеточных органелл. Клетки эукариот (животных, растений и грибов) устроены гораздо сложнее и имеют ядро, органеллы, цитоскелет. Эукариоты бывают одноклеточными и многоклеточными. Линейные размеры бактерий составляют 1-10 мкм, а эукариотических клеток - 10-100 мкм. Все клетки отделены от окружающей среды клеточной мембраной. У бактерий клетки защищены еще внешней по отношению к мембране прочной оболочкой -клеточной стенкой - из нескольких слоев специального вещества -пептидогликана. Клетки растений и грибов также имеют клеточные стенки состоящие из целлюлозы и хитина, соответственно. В дальнейшем будут рассмотрены, в основном, мембраны клеток животных.

     1.1. Состав и структура мембран

     В течение многих лет биологи думали, что клеточная мембрана состоит из липидного бислоя, состоящего, в основном, из глицерофосфолипидов, сфинголипидов и холестерина, а белки покрывают бислой изнутри и снаружи, образуя «сэндвич». Глицерофосфолипиды и сфинголипиды выглядят похожими, но имеют разные молекулярные «скелеты». Холестерин не относится к фосфолипидам. Эта молекула - родственница стероидных гормонов и желчных кислот - относится к стероидам. На рис. 1.2 приведены примеры молекулярных структур мембранных липидов, из которых видно, что они содержат полярные и неполярные группы, то есть являются амфифильными соединениями.
     В 1972 г. С.Дж.Сингер и Г.Дж.Николсон проанализировали экспериментальные данные и предложили «жидкомозаичную» модель

8



�леточной мембраны, которая (с небольшими изменениями и дополнениями) используется и сейчас. В этой модели большинство белков встроены в бислой таким образом, что гидрофобные части их молекул скрыты от воды внутри мембраны, а гидрофильные контактируют с водной средой. Мозаика белков плавает в мембране или по мембране, иногда образуя устойчивые комплексы.

      Рис. 1.2. Основные липиды, входящие в состав мембраны клетки животного: слева глицерофосфолипид, справа сфингомиелин

     Белки принято разделять на две группы: белки первой группы встроены в мембрану и называются интегральными, белки второй группы связаны только с поверхностью мембраны (или белками первой группы) и называются периферическими.
     В результате обобщения экспериментальных данных установлено, что все мембраны в эукариотических клетках имеют одну и ту же архитектуру и состоят из следующих четырех основных компонентов (рис. 1.3).
     1.      Липидный бислой, в который погружены или с которым связаны остальные компоненты мембраны и который представляет собой барьер для переноса веществ и ионов между клеткой и средой. В клетках животных липидный бислой образован, в основном, фосфолипидами и холестерином (у растений клетки содержат другие стеролы).

9



     Рис. 1.3. Схематическое изображение плазматической мембраны эукариотической клетки

     2.       Трансмембранные белки (интегральные). Эти белки обеспечивают перенос веществ, ионов и информации (сигналов) через мембрану. Положение многих белков не фиксировано, и они свободно диффундируют в мембране. Содержание белков в мембранах очень сильно варьирует от клетки к клетке.
     3.       Внутренняя белковая сеть (цитоскелет). Эта сеть механически связана с мембраной, обеспечивает ее большую устойчивость и придает форму клетке. Так, двояковогнутая форма эритроцита обусловлена тем, что сеть, образованная белком спектрином, связывает мембранные белки с актиновыми нитями цитоскелета. Сети других белков используются для того, чтобы зафиксировать мембранные белки в нужных местах или переместить, куда требуется.
4.      Маркеры клеточной поверхности. При формировании мембраны ее фрагменты собираются в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), затем поступают в аппарат Гольджи, после чего переносятся в плазматическую мембрану. В ЭР к молекулам мембранных белков и липидов присоединяются 10



�епочки углеводов - остатков сахаров. Белки и липиды таким образом превращаются в гликопротеины и гликолипиды, соответственно, которые служат идентификаторами индивидуальности клетки. У разных клеток эти идентификаторы разные.
     Мембраны неоднородны по составу: в разных местах их состав может быть разным. Это приводит к формированию в мембранах микродоменов, которые содержат белки и липиды, отличающиеся от их окружения. Такие микродомены получили название липидных рафтов. Их состав характеризуется большим содержанием холестерина, сфинголипидов и белков. Взаимодействия между компонентами рафта приводят к образованию упорядоченной структуры.
     Механические и термодинамические свойства мембраны зависят от липидного состава. Предельные и моно-с1з-ненасыщенные жирные кислоты, как и сфинголипиды, увеличивают вязкость и температуру плавления липидного бислоя. Поскольку от состояния бислоя зависит жизнь клетки, она строго регулирует липидный состав своей мембраны, и при изменении внешних условий изменяет его так, чтобы он наилучшим образом обеспечивал функционирование клеточной мембраны. В связи с различием функций клеточной мембраны и мембран внутриклеточных структур, их состав различается. Так, мембрана ЭР содержит много ненасыщенных фосфолипидов и мало холестерина, из-за чего она более жидкая, чем плазматическая мембрана и, кроме того, она более тонкая.

     1.2. Основные функции мембранных белков

     Функции мембранных белков очень разнообразны и многочисленны -практически вся коммуникация клетки с внеклеточной средой, включая другие клетки, обеспечивается белками. Можно выделить следующие основные классы мембранных белков (рис. 1.4).

11