Мембранологія

МЕМБРАНОЛО́ГІЯ (від лат. membrana — оболонка, пере­тинка і ...логія) — між­дисциплінарна галузь природничих наук, що виникла на пере­тині біо­фізики, біо­хімії, генетики, імунології, колоїдної хімії, молекулярної біо­логії, фізичної хімії, фізіо­логії. М. ви­вчає склад, структуру, властивості, функції, локалізацію компонентів біол. мем­бран, їхню молекулярну і динам. організацію, особливості між­молекуляр. взаємодій і фазові пере­ходи ліпідів і білків у мем­брані, проходже­н­ня речовин через мем­брани, участь біо­мем­бран у здійснен­ні й регулюван­ні метаболіч. процесів у клітині, механізми дії фіз.-хім. факторів на мем­бран­ні системи та ін. пита­н­ня, повʼязані з дослідж. стану компонентів біо­мем­бран і окремих клітин (див. Мем­брана клітини). М. також ви­вчає штучні мем­брани, виготовлені з полімер. або неорганiч. матеріалів, що широко використовують у промисловості для очище­н­ня вод. роз­чинів і газ. сумішей (див. Мем­бран­на технологія). Перші наук. спо­стереже­н­ня, що започаткували науку про мем­брани, датують серед. 18 ст.: франц. священик і фізик Ж. Нолле встановив, що крізь стінку бичачого міхура вода проникає, а спирт затримується. Це явище вибірк. проникне­н­ня речовин крізь напів­проникну пере­городку (мем­брану) на­звали «осмос». Положе­н­ня про те, що плазмат. мем­брана навколо клітини є певною структурою, усві­домили у серед. 19 ст.: нім. фізіолог Е. Дюбуа-Реймон пові­домив, що між внутр. та зовн. поверх­нями шкіри жаби існує різниця електр. потенціалів. Нім. ботанік Г. фон Моль 1851 описав плазмоліз клітин рослин. Швейцар. і нім. ботанік К. фон Неґелі 1855 припустив, що клітин­на межа (плазмат. мем­брана) від­повід­альна за осмотичні властивості клітин. Важливим теор. досягне­н­ням стало встановле­н­ня нім. фізиком і фізіологом А. Фіком 1855 закону дифузії. Нім. хімік і ботанік В. Пфеф­фер у праці «Osmotische untersuchungen» («Дослідже­н­ня осмосу», Ляйпциґ, 1877) постулював існува­н­ня клітин. мем­бран на під­ставі подібності клітин та осмометрів, що мали штучні напів­проникні мем­брани. Ви­вче­н­ня осмометрич. властивостей рослин. клітин гол­ланд. ботаніком Г. де Фрізом (припустив, що шар протоплазми між плазмалемою і тонопластом функціонує як мем­брана; описав проникність клітин. мем­брани для аміаку та гліцерину) у 1880-х рр. стали під­ґрунтям для створе­н­ня фіз.-хім. теорій осмотич. тиску та електролітич. дисоціації гол­ланд. хіміком Я. Вант-Гоф­фом і швед. фізико-хіміком С. Ар­реніусом. Нім. фізико-хімік В. Ост­вальд 1890 звернув увагу на можливу роль мем­бран у біо­­­електр. процесах. Нім. учений Е. Овертон 1895 і 1902 виміряв проникність клітин. мем­брани для великої кількості сполук і наочно показав залежність між роз­чин­ністю цих речовин у ліпідах та їхньою здатністю проникати через мем­брани, припустивши, що мем­брана має ліпідну природу й містить холестерин та ін. ліпіди. Подальші дослідж. — нім. біо­хіміків Р. Чамберса, Л. Міхаеліса. Гол­ланд. фізіологи Е. Ґор­тер і Ф. Ґрендель 1925 роз­робили теорію про ліпід. бішар як напів­проник. барʼєр, що оточує клітину. Уявле­н­ня про те, що з мем­бранами повʼязані білки, вперше висловив 1935 амер. учений Дж. Данієл­лі, який спільно з англ. біо­логом К. Даусоном висунув гіпотезу про заг. принцип структур. організації клітин. мем­бран як тришарової структури, де по­двій. шар орієнтованих однаковим чином ліпід. молекул укладений між двома шарами глобуляр. білка, що формує кордон мем­брани з водою. Ця модель з деякими несут­тєвими змінами була загально­прийнятою в М. 40 р. Побачити та сфото­графувати мем­брану вдалося у 1940-х рр., за­стосувавши електрон. мікро­скоп. У цей період завдяки дослідж. ірланд. фізико-хіміків П. Бойля і Е. Конвея стосовно роз­поділу іонів К⁺ у клітинах, мем­бран. проникності для іонів Na⁺ амер. ученого Г. Штайнбаха і концепції англ. ученого Р. Діна про існува­н­ня в клітині натрієвого насоса об­ґрунтовано від­кри­т­тя актив. транс­порту, що сприяло становлен­ню мем­бран. ензимології.

Сучасні уявле­н­ня про будову мем­бран як рухомих ліпо­протеїнових ансамблів сформульовано на межі 1960–70-х рр. Осн. моде­л­лю будови біол. мем­брани сьогодні є за­пропонов. 1972 амер. біо­логами С. Зінґером і Г. Нікольсоном рідин­но-мозаїчна, згідно з якою клітин­на мем­брана складається з по­двій. ліпід. шару, в який занурені молекули протеїнів, що виконують більшу частину мем­бран. функцій (вибірк. проходже­н­ня речовин, створе­н­ня транс­мем­бран. потенціалів, сприйня­т­тя сигналів). Функціонал. білки занурені й просочуються у рідиноподіб. ліпід. бішарі. Білок занурений у бішар таким чином, що полярні та іонізовані групи взаємодіють з водою, а гідрофобні частини — із вуглеводневими ланцюгами ліпідів. Поверх­ні однієї і тієї ж мем­брани різні за складом ліпідів, білків і вуглеводів (поперечна асиметрія). Напр., у плазматич. мем­брані еритроцитів у зовн. моношарі по­двій. ліпід. шару пере­важають фосфатидилхолін, у внутр. — фосфатидилетаноламін і фосфатидилсерін. Вуглеводні частини гліколіпідів і гліко­протеїнів виходять на зовн. поверх­ню, іноді утворюючи суціл. покри­т­тя клітини (т. зв. глікокалікс); на внутр. поверх­ні вуглеводи від­сутні. Протеїни, що є рецепторами гормонів та ін. зовн. сигнал. молекул, роз­ташовуються на зовн. поверх­ні плазматич. мем­брани, а всередину клітини сигнал пере­дається за участі білків внутр. поверх­ні мем­брани. Завдяки рідкому стану мем­бран. ліпідів протеїни, занурені в ліпід. шар, є досить рухливими. Початк. модель, що перед­бачає випадк. роз­поділ протеїнів та їхнє вільне пере­міще­н­ня, не до­зволяла пояснити дані, отримані під час ви­вче­н­ня ролі ліпідів у пере­дачі сигналів біо­регулятор. речовин та звʼязуван­ні лікувал. і токсич. сполук. У 1-й пол. 20 ст. чимало Нобелів. премій присуджено за наук. роботи, повʼязані з дослідж. біо­мем­бран: за ви­вче­н­ня слух. базиляр. мем­бран (Дж. фон Бекеші, США, 1961, отоларингологія), електр. потенціалу під час збудже­н­ня та іон­них струмів (А. Ходж­кін, Велика Британія, 1963, ней­рофізіологія), мем­бран. ліпідів (Ф. Лінен, Німеч­чина, 1964, біо­енергетика), мем­бран зорових клітин (Дж. Волд, США, 1967, офтальмологія), синаптич. мем­бран та пере­дачі хім. сигналу (Дж. Аксельрод, США, 1970, молекулярна фармакологія), мем­бран. рецепторів гормонів і вторин. месенджерів (Е. Сазерленд, США, 1971, біо­хімія), структури мем­бран. систем (Дж. Паладе, США, 1974, електрон­на мікро­скопія), лізосом (К. де Дюв, Бельгія, 1974, клітин­на патологія), створе­н­ня хеміосмотич. теорії (П. Мітчелл, Велика Британія, 1978), від­кри­т­тя Na⁺-K⁺-АТФази (Є. Скоу, Данія, 1997). Згідно з новою концепцією організації плазматич. мем­брани нім. біо­хіміка К. Симонса та фін. біо­хіміка Е. Іконен (1997), усередині по­двій. ліпід. шару існують мікродомени, що містять сфінголіпіди та холестерол, т. зв. ліпідні рафти, що беруть участь в утворен­ні між­клітин. сигналів для накопиче­н­ня специфіч. протеїнів, координують клітин­ні процеси, впливають на плин­ність мем­брани, є центрами організації для зі­бра­н­ня сигнал. молекул, регулюють пере­міще­н­ня мем­бран. білків, рецепторів, а також контро­люють нейротранс­місію. Ліпідні рафти більш структуровані та упаковані щільніше, ніж їхній нав­колиш. ліпід. бішар; при цьому вони здатні вільно в ньому пере­міщуватися. В остан­ні роки склався новий наук напрям — мед. М., що проводить цілеспрямов. пошук нових препаратів для профілактики і лікува­н­ня захворювань, повʼязаних із поруше­н­нями структури і функцій біол. мем­бран. Ці поруше­н­ня су­проводжують деякі захворюва­н­ня серця, нирок, печінки, нерв. системи, а також рак і атеро­склероз. Незворотні зміни від­буваються в фосфоліпідах біо­мем­бран під час променевого ураже­н­ня організму. Ви­вче­н­ня процесів, що від­буваються у мем­бран. системах при різних патол. станах організму, до­зволяє зна­йти шляхи найбільш ефектив. впливу лікар. препаратів на генет. і мем­бран. апарати клітин. Широке за­стосува­н­ня мед. М. отримали штучні ліпідні бішарові мем­бран­ні везикули — ліпосоми. Новий метод лікува­н­ня, засн. на викори­стан­ні лікар. речовин, інкапсульов. у ліпосоми, отримав назву ліпосом. терапії. Ліпосоми надають унікал. можливість збирати на своїй поверх­ні групи молекул для взаємодії їх із білками-мішенями. Цей під­хід використовують для конструюва­н­ня препаратів, які регулюють активність комплементу (сукупність білків плазми крові, що бере участь у реалізації імун. від­повіді). В Україні дослідж. біол. мем­бран проводять у Біо­хімії Ін­ституті ім. О. Пал­ладіна НАНУ, Ботаніки Ін­ституті ім. М. Холодного НАНУ, Фізіології Ін­ституті ім. О. Богомольця НАНУ (усі — Київ), а також у Київ. університеті. Всесвітньо ві­дома школа академік П. Костюка, який зробив знач. внесок у дослідж. іон­них ка­налів і мем­бран. рецепторів нерв. клітини. Разом з учнями він роз­робив новий електрофізіол. метод дослідж. нерв. клітин — внутрішньоклітин. діаліз. Нині його учні на чолі з академік О. Кришталем подовжують дослідж. ролі мем­бран. білків, зокрема іон­них ка­налів і рецепторів, у функціонуван­ні окремих нейронів, нейрон. мереж та органів. При­скорений роз­виток тех. М. повʼязаний із вина­йде­н­ням нових досконалих мем­бран зарядже­н­ня, заряд-селектив. мем­бран, мем­бран із додатк. функціями мем­бран. сенсорів і імуносенсорів, матрич. мем­бран, мем­бран газороз­діле­н­ня, штуч. модел. біо­мем­бран тощо. Наукові дослідже­н­ня із викори­ста­н­ня штуч. керам. і полімер. мем­бран для очище­н­ня води, роз­робку мем­бран. методів опрісне­н­ня мор. води здійснюють у Колоїдної хімії та хімії води Ін­ституті ім. А. Думанського НАНУ під керівництвом академік В. Гончарука.

Завантажити статтю