16. Състав на клетъчната мембрана. Типове физико-химични взаимодействия между молекулите, изграждащи клетъчната мембрана. Организация на биомембраните.

Клетката е основна структурна и функционална единица на всички живи системи. Освен мембраната, която огражда клетката, съществуват и мембрани вътре в клетката, които я разделят на обособени части. Общата площ на мембраните е много голяма – за повечето клетки около 80% от сухата маса са градивните части на мембраните. През тях става пренос на вещества, в тях се извършват основните биоелектрични процеси. Разделянето на клетките на отделни метаболитно и функционално разграничени пространства позволява протичането, съгласувано във времето и пространството, на огромен брой биохимични и физични процеси и осигурява поддържането на необходимите градиенти на йони и др. вещества. Увреждането на клетъчните мембрани стои в основата или съпровожда цялата клетъчна патология, като голям брой екзогенни фактори предизвикват еднотипни промени в биомембраните. Лечебният ефект на редица лекарства се дължи на стабилизирането на биомембраните.

16.1. Състав на клетъчните мембрани.

Основните компоненти на клетъчните мембрани са липиди и белтъци. В тях се съдържат и малки количества нуклеинови киселини, неорганични соли и др. в зависимост от функциите на мембраната. Химичният състав варира в определени граници и в зависимост от възрастта, функционалното и метаболитно състояние и се изменя съществено при патологични процеси. За повечето биомембрани съотношението белтъци:липиди е 3:2, но може да варира от 1:4 до 4:1.

Липидите в мембраните са различни видове, главно фосфолипиди (40-90%), стероли, главно холестерол (2-35%), гликолипиди (1-42%), и малки количества от други липиди като свободни мастни киселини, моно, ди и триглицериди, b - каротин, восъци и восъкоподобни вещества вещества в растителните клетки. Фосфолипидите са няколко вида с еднаква полярна част и различен масленокиселинен състав на опашките. В клетките те се съдържат практически само в биомембраните и са определящи за тяхните свойства. Важно свойство на фосфолипидните молекули е това, че могат да се проявяват едновремено хидрофилни и хидрофобни свойства. Една фосфолипидна молекула се състои от главичка и две дълги въглеводородни вериги – опашки.  Главичката е хидрофилна, а опашката е хидрофобна.

От белтъците в биомембраните се съдържат главно липопротеини, гликопротеини и металпротеини. В зависимост от функциите си те са: белтъци на транспортни механизми; ензими; рецептори; структурни белтъци. В зависимост от мястото им в биомембраните се делят на външни (периферни) и вътрешни (интегрални). Белтъчните молекули покриват от 75 до 80 % от повърхността на биомембраните, придавайки им еластичност и устойчивост към механични увреждания.

16.2. Физико-химични основи на организацията на биомембраните

В основата на организацията на биомембраните стоят електричните взаимодействия. Те са свързани с факта, че в стоежа на биомембраните участвуват молекули на вещества, които имат полярни свойства, или молекули, съдържащи отделни йоногенни групи. Молекулите на водата, които са среда, в която се намират биомембраните, също притежават полярни свойства.

Хидрофобно взаимодействие. Хидрофобното взаимодействие е свързано с отблъскване на неполярните групи от молекулите на водата. Това взаимодействие в значителна степен определя агрегацията на неполярни молекули във водни разтвори, образувани на липидни мицели и ламеларни структури, локализацията на белтъците в мембраните. В резултат на това взаимодействие във водна среда фосфолипидните молекули спонтанно се ориентират така, че да се образува бимолекулен фосфолипиден слой, като хидрофобните им части са скрити от водата (Фиг. 16.1). При достатъчна дължина двойния фосфолипиден слой се затваря и образува мицел или липосома (Фиг. 16.2).

Фиг. 16.1.  Двоен липиден слой

Фиг. 16.2. Липозома и мицел.

Електростатично взаимодействие. Електростатично взаимодействие възниква между заредени частици. Може да въде значително на повърхността на мембраните, където се намират полярните глави на фосфолипидните молекули. Йонни връзки съществуват и между отделни йоногенни групи на белтъци и липиди. Това взаимодействие причинява образуване на двоен електричен слой на границата на различни фази във водни разтвори на електролити.

Електростатично взаимодействие между диполи. В резултат на електростатичното взаимодействие между диполите се появяват ориентационни сили и диполите се стремят да се разположат или последователно, в редица, или антипаралелно (Фиг.16.3).

Фиг. 16.3.

Индукционно взаимодействие. Възниква при сближаване на 2 частици, от които едната има постоянен диполен момент. Електричното поле на частицата с постоянен диполен момент индуцира диполен момент във втората частица.

Йонно - Молекулни взаимодействия. Това взаимодействие е съществено в разтвори на електролити с полярни молекули, например вода. Образуват се комплекси йон-молекули на разтворитела – т.н. солвати или хидрати в случая на вода.

Водородни връзки. Водородни връзки – това са слаби електростатични връзки от вида X - H ....Y, при което атома Н, съединен ковалентно с електроотрицателен атом X, образува още една връзка по посока на линията на връзката с атом Y, имащ неподелена електронна двойка. Водородните връзки определят характерните свойства на много съединения, в частност на водата. Водородните връзки се разделят на слаби – с с енергия на връзката 8-80 kJ/mol, и силни, с по-голяма енергия. В биологията са важни само слабите водородни връзки. Освен междумолекулни, често се срещат и вътремолекулни водородни връзки. Вътремолекулните водородни връзки, по-точно връзката N-H ...N, обезпечава възникването на характерни подредени структури (вторична и третична структура) в белтъците и нуклеиновите киселини.

16.3. Организация на биомембраните.

За структурата на биомембраните са предлагани различни модели, като сега се приема течно-мозаечният модел, предложен през 1992 г. от Singer и Nicolson. Съгласно този модел, илюстриран на фиг  16.4,  биомембраните са изградени по следните принципи:

• Липидите изграждат двоен слой, чиито хидрофилни части оформят част от повърхността на мембраната. Белтъците се разполагат както по повърхността на на мембраната, така и във вътрешността на бислоя. Дебелината на биомембраните е от 7 до 10nm.
• При физиологични температури по-голяма част от липидите са в течно-кристално състояние. То осигурява едновременно висока степен на подреденост и достатъчна подвижност на мембранните компоненти. Вискозитета на липидния слой на биомембраните е от 30 до 100 mPa.s, а повърхностното напрежение е от 0.03 до 1mN/m.
• Биомембраните са не само хетерогенни, но и асиметрични. Двете полумембрани имат различен състав и физични свойства. Външната е по-плътна, по-малко флуидна от вътрешната.
• Мембранната структура е променлива, динамична. Това се изразява с конформационна и молекулна подвижност, а също така и с постоянно обновяване на състава и. Течнокристалното състояние позволява значително хаотично топлинно движение на молекулите в биомембраните. Възможни са няколко вида движения: сегментни движения на въглеродните вериги: въртеливи движения на липидните молекули като цяло; дифузия на цели молекули в равнината на мембраната (латерална транслация); дифузия на молекули от едната половина на бислоя в другата, коита обаче стават с много по-малка скорост

Фиг. 16.4. Схема на клетъчна мембрана.

16.4. Фактори, увреждащи биологичните мембрани.

Клетъчните мембрани са първото място, атакувано от различни химични, физични и биологични фактори. 

Динамичните свойства на мембраните са важен фактор за тяхните функционални свойства. Вещества с липофилни свойства като ДДТ например могат да проникват в мембранния липиден бислой и да променят подвижността на липидите. Многовалентни метални йони могат да се свързват със специфични участъци на полярните части на фосфолипидните молекули. В резултат на това взаимодействие става разширение или свиване на повърхността на мембраните и следователно става изменение на свойствата им.

Някои метални йони като Ca²+, Hg²⁺ Pb²⁺ са склонни да се свързват със специфични функционални групи, например с –SH групата на белтъци, участващи в изграждането на  мембранните. В резултат на това се променят функционалните им свойства.

Клетъчните мембрани са проницаеми за газове. Някои от тях, като например флуоровъглеводороди (фреони), които са се използвали доскоро в хладилниците и за диспергиране на аерозоли в дезодорантите, влияят върху липидния бислой, като намаляват степента на подреденоста му. Някои въглеводороди от този тип се използват в медицинската практика като обезболяващи средства. Предполага се че това става чрез промени в третичната структура на хидрофобни белтъци, необходими за предаване на нервните импулси. Оксиди на азота могат да реагират както с липидите, така и с белтъчните компоненти на клетъчната мембрана и намаляват вискозитета и. Склонност да реагира с белтъчни компоненти на мембраните има и SO₂, който е силен електрорецептор и има силно сродство към вещества с електродонорен характер като триптофановите остатъци в белтъчните молекули, участващи в изграждането на  мембранните. участващи в изграждането на  мембранните.