Лекція О. П. Матишевської на тему «Структура і динаміка мембранних ліпідів»
Біологічні мембрани є комплексними структурами, що оточують клітину, визначають її межі та відіграють ключову роль у функціонуванні клітин живих організмів. Вони обмежують внутрішньоклітинне середовище, тобто забезпечують компартменталізацію, завдяки їм відбувається регуляція життєдіяльності клітин. З біологічними мембранами пов'язана ціла низка ферментів, що каталізують реакції трансмембранного переносу речовин, беруть участь у процесах передачі сигналу тощо. Дослідження біологічних мембран залишається актуальним питанням, оскільки знання про їхню структуру та функції є необхідними для розв'язання багатьох проблем сучасної біології.
Біомембрана представлена тонкою плівкою товщиною біля 5 нм, яка складається з ліпідних та білкових молекул, з'єднаних, переважно, за допомогою нековалентних зв'язків. Клітинна мембрана - це динамічна, рідинно-кристалічна структура; більшість її молекул здатна дифундувати вздовж мембрани. Ліпідні молекули розташовані у вигляді подвійного шару (бішару), який надає мембрані плинних властивостей та виступає у ролі майже непроникного бар'єру для багатьох розчинних у воді сполук.
Відповідно до гіпотези Сінгера та Ніколсона (1972), мембрана - це орієнтований, двовимірний, в'язкий розчин амфіфільних протеїнів та ліпідів, що перебувають у термодинамічній рівновазі, та розглядається якдвовимірна рідина, упорядкована за принципами рідинно-мозаїчної моделі. На сьогодні відомо, що білки можуть мати великі за розміром ектодомени - ділянки, які виступають над поверхнею мембрани в зовнішньоклітинний простір та створюють об'ємні перешкоди. Останні дослідження також показали, що товщина біомембрани не є однаковою по всій довжині. Плинність ліпідів та відносно мала рухливість протеїнів є підставою для висновку, що ліпідний компонент скривлюється для "маскування" гідрофобних ділянок протеїнів, розташованих над поверхнею мембрани. Однак у окремих випадках може спостерігатись також скривлення й протеїнів. Комплексність та складність структур узагальнена Енгельманом (2005), який запропонував розглядати біомембрану як систему з фрагментарним упорядкуванням олігомерних протеїнів.
Більшість ліпідів біомембрани знаходиться у невпорядкованому, мозаїчному стані. Сили Вандер-Ваальса між сусідніми "хвостами" жирних кислот є недостатньо вибірковими для утримання молекул одного типу разом. Однак для сфінголіпідів, що мають довгі та насичені вуглеводневі ланцюги, сили притягання є достатніми для концентрування сполук у малих доменах, що отримали назву "ліпідні рафти" й розглядаються як локальні ділянки фазового переходу - місця, у яких дещо втрачаються властивості мембрани як рідини. Рафти (rafts–плоти), нерозчинні в детергентах мікродомени мембрани, збагачені фосфоліпідами, холестеролом та глікозилфосфатиділінозитолозв’язаними протеїнами, які акумулюють деякі цитоплазматичні ліпід-модифіковані молекули. Рафт-індукована цитоскелетна регуляція є високо консервативним механізмом інтеграції клітинних відповідей у різні сигнали.
Ці та інші запитання щодо сучасного уявлення про структуру та функцію біомембран було обговорено на лекції. Зокрема з’ясовано:
які ліпіди є основними структурними елементами мембран;
чи можна назвати мембранні ліпіди інформаційними молекулами;
яким чином відбувається переміщення фосфоліпідів у мембранному бішарі та яка роль в цьому процесі ферменту фліпази;
чому краще вживати продукти, до складу яких входять жирні кислоти в цис-формі;
з якої причини не варто зловживати чіпсами, фастфудами … .
Біля години тривала лекція, яку учні сприйняли з великою увагою. Варто відмітити особливу активність слухачів з ліцею «Наукова зміна», які завжди демонструють свою зацікавленість і обізнаність в сучасних досягненнях наук про життя, нанобіотехнологій, біосенсорики, геноміки тощо.
