Основу биологических мембран составляет липидный бислой, образованный амфипатическими молекулами липидов, главным образом фосфолипидами. Молекулы фосфолипидов имеют гидрофильные головки, ориентированные к водной среде, и гидрофобные хвосты, формирующие внутреннюю часть мембраны. Такая организация обеспечивает селективную проницаемость, барьер для полярных молекул и ионов, одновременно создавая среду для белков и других компонентов мембраны.
Толщина липидного бислоя обычно составляет 4–5 нм, а его жидкостно-мозаичная структура обеспечивает динамическую подвижность липидов и белков, что критично для функционирования мембраны. Состояние липидного бислоя может варьировать от жидкокристаллического до более упорядоченного гелеобразного, влияя на текучесть мембраны и активность мембранных белков.
Белки составляют 20–80% массы мембраны в зависимости от типа клетки и органеллы. Они делятся на несколько функциональных групп:
Белки обладают асимметричной локализацией, что критично для направления транспорта и клеточной сигнализации. Их подвижность в мембране определяется взаимодействием с липидами и цитоскелетом.
Биологические мембраны характеризуются асимметрией состава:
Эта асимметрия создаёт функциональное разделение поверхностей мембраны и регулирует процессы апоптоза, слияния мембран и формирования пузырьков эндоцитоза.
Мембраны не являются гомогенными: существуют микродомены, или липидные рафты, обогащённые холестерином, сфинголипидами и специфическими белками. Они формируют более упорядоченные участки мембраны с повышенной толщиной и жесткостью, что влияет на локализацию сигнальных молекул и транспортных белков. Липидные рафты играют ключевую роль в сигнальных каскадах, вирусной инфильтрации и эндоцитозе.
Наружная поверхность мембраны покрыта гликокаликсом, состоящим из олигосахаридных цепей, связанных с белками и липидами. Гликокаликс выполняет функции:
Холестерин встроен между фосфолипидами и регулирует текучесть мембраны:
Холестерин создаёт динамическое равновесие между жесткостью и гибкостью мембраны, обеспечивая оптимальные условия для функционирования белков и транспорта молекул.
Цитоскелет клеток (актиновые филаменты, микротрубочки) взаимодействует с мембраной через адгезивные белки и мембранные рецепторы. Он обеспечивает:
Мембрана обладает текучестью, которая определяется составом липидов, наличием холестерина и температурой. Флуктуации мембраны влияют на:
Мобильность компонентов мембраны обеспечивает адаптивность клеток к изменениям внешней среды, механическую пластичность и способность к быстрой перестройке мембранной архитектуры.
Мембрана представляет собой жидкостно-мозаичную систему, где липидный бислой обеспечивает барьер и среду для белков, белки реализуют транспорт и сигнализацию, а липидные микродомены, гликокаликс и холестерин регулируют локальные свойства и стабильность. Асимметрия, динамика и интеграция с цитоскелетом формируют сложную функциональную структуру, обеспечивающую жизнеспособность клетки, её коммуникацию и адаптацию.