Некоторые физические свойства и параметры мембран

Организм как открытая система

Биологические объекты являются открытыми термодинамическими системами. Они обмениваются с окружающей средой энергией и веществом.

Живой организм – развивающаяся система, которая не находится в стационарном состоянии. Однако обычно в каком-то не слишком большом интервале времени принимают состояние биологической системы за стационарное.

Для организма большая энтропия должна быть в продуктах выделения, а не в продуктах поглощения. Энтропия системы «организм – окружающая среда» возрастает как у изолированной системы, однако энтропия организма при этом остается постоянной. Энтропия – мера неупорядоченности, поэтому можно заключить, что упорядоченность организма сохраняется ценой уменьшения упорядоченности окружающей среды.

При некоторых патологических состояниях энтропия биологических объектов может возрастать, это связано с отсутствием стационарности, увеличением неупорядоченности: так, например, при раковых заболеваниях происходит хаотическое, неупорядоченное разрастание клеток.

Основа функционирования живых систем (клетки, органы, организм) – это поддержание стационарного состояния при условии протекания различных процессов и биохимических реакций. При изменении внешних условий процессы в организме протекают так, что его состояние не будет прежним стационарным состоянием.

Можно указать некоторый термодинамический критерий приспособления организмов и биологических структур к изменениям внешних условий (адаптации). Если внешние условия изменяются (возрастает или уменьшается температура воздуха, влажность и т.п.), но при этом организм (клетки) способен поддерживать стационарное состояние, то организм адаптируется (приспосабливается) к этим условиям и существует. Если же он не способен сохранить стационарное состояние, выходит из него, то это приводит к его гибели. Организм в этом случае не смог адаптироваться, т.е. не смог сравнительно быстро оказаться в стационарном состоянии, соответствующем новым условиям.

С появлением электронного микроскопа впервые открылась возможность познакомится со строением мембран. Обнаружилось, что плазматическая мембрана животных и растительных клеток выглядит как трехслойная структура. На рис.11 изображена электронная микрофотография плазматической мембраны электроцита. Видно, что мембрана состоит из светлого слоя, соответствующего фосфолипидам бислоя, и двух темных слоев – они представляют собой полярные головки и белки. Толщина мембран в зависимости от вида составляет величину от 4 до 13 нм.

Рисунок 11.

Изменение поверхности молекул мембран и диффузии частиц через мембрану свидетельствует о том, что билипидный слой ведет себя подобно жидкости. В то же время мембрана является упорядоченной стриктурой. Эти два фактора позволяют думать, что липиды в мембране при ее естественном функционировании находятся в жидкокристаллическом состоянии. Вязкость липидного бислоя на два порядка больше вязкости воды и соответствуют приблизительно вязкости масла. Однако при понижении температуры происходит фазовый переход, в результате которого липиды бислоя превращаются в гель (твердокристаллическое состояние). Очевидно, что при этом меняется толщина слоя, в состоянии геля она больше чем в жидкокристаллическом. При фазовых переходах в бислое могут образовываться каналы, по которым через мембрану способны проходить различные ионы и низкомолекулярные соединения, размер которых не превышает 1 – 3 нм.

В жидкокристаллическом состоянии отдельная жирнокислотная цепь может принимать много различных конфигураций. При этом возможно образование в бислое полостей – «кинков» (от англ. kink - петля). В этих полостях могут находиться различные молекулы, захваченные из пространства вне мембраны. При тепловом движении хвостов липидов происходит движение такого «кинка», а вместе с ним и молекул поперек или вдоль нее.

Проницаемость мембран для различных веществ зависит от поверхностного заряда, который создается заряженными головками липидов, придающим мембране преимущественно отрицательный заряд. Это приводит к тому, что на границе мембрана – вода создается межфазный скачек потенциала того же знака, что и заряд на мембране. Величина этого потенциала играет большую роль в процессах связывания ионов мембраной.

Мембрана по своей структуре напоминает плоский конденсатор, обкладки которого образованны поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный бислой.

Мембраны обладают высокой прочностью на разрыв, устойчивостью и гибкостью. По электроизоляционным свойствам они значительно превосходят многие изоляционные материалы, применяемые в технике. Общая площадь мембран в органах и тканях достигает огромных размеров. Так, суммарная площадь клеточных мембран печени крысы, весящей всего 6 г, составляет несколько сотен квадратных метров.

Дата добавления: 2014-12-07