Мембраны — это биологические структуры, отграничивающие пространства клеток или клеточных органелл и обеспечивающие взаимодействие биополимеров, упорядоченно расположенных внутри них.
Мембраны имеют сложное химическое строение и участвуют в осуществлении важных физиологических функций: возникновении и проведении нервного возбуждения, межклеточной «сигнализации», восприятии света, запаха, вкуса, превращении энергии в клетке, изменении активности ферментов, механизмах всасывания и др.
Не касаясь подробно всех этих процессов, отметим лишь, что минеральные элементы в виде сложных органических соединений и главным образом в виде ионов имеют самое непосредственное отношение к структуре и функции мембран.
Несмотря на разнообразие форм, размеров и биологической роли, все мембраны построены из двух типов веществ — белков и сложных липидов. Элементарная мембрана представляет собой трехслойную структуру, состоящую из двух монослоев белка, разделенных двойной прослойкой липоидов. Последние представлены либо производными сахаров — гликолипидами, либо производными фосфорной кислоты — фосфолипидами.
Наличие фосфатных групп в молекулах липидов придает мембране особые физико-химические свойства в отношении проницаемости, переноса ионов, генерации нервного импульса. В органеллах клетки — митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования происходит синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Ферменты, катализирующие этот процесс, находятся в мембране митохондрий.
Имеются сведения, что ионы двухвалентных металлов (в частности, Са2+) принимают участие в «склеивании» мембран рядом расположенных клеток, соединяясь с отрицательно заряженными группировками на их поверхности. Агрегация клеток является необходимым условием их нормального существования.
Взаимодействие плазматической мембраны с неорганическими ионами довольно сложно. В условиях динамического равновесия распределение ионов по обе стороны мембраны зависит от соотношения двух процессов — физической диффузии ионов и активного транспорта.
Как уже отмечалось, электропроводность внеклеточной и внутриклеточной жидкостей примерно одинакова, но их химический состав различен. Наружный раствор содержит главным образом катионы натрия и анионы хлора; во внутреннем растворе этих ионов мало, но в нем много катионов калия и крупных анионов органической природы, не проходящих через мембрану. Такое соотношение ионов поддерживается так называемым натриевым насосом, выкачивающим ионы натрия из клетки в окружающую среду. Этот насос препятствует поступлению избытка воды внутрь клеток, где высока концентрация недиффундируемых макромолекул белка. Извлечение положительно заряженных ионов натрия из клетки приводит к тому, что внутренняя поверхность мембраны заряжается отрицательно по отношению к наружной мембране, заряженной положительно. В то же время насос накачивает ионы калия внутрь клетки, где их концентрация становится значительно выше, чем в окружающей среде.
По законам пассивного транспорта ионы калия и натрия стремятся к движению в обратном направлении, однако биологический насос поддерживает постоянный ионный состав по обе стороны мембраны, несмотря на утечку. На мембране клетки или волокна возникает разность потенциалов порядка 60—90 мВ. Это так называемый мембранный потенциал покоя, обусловленный различием ионного состава обеих сред, в основном разницей в концентрации ионов калия по обе стороны мембраны. Если лишить клетку кислорода или подействовать на нее ингибитором обмена, потенциал упадет до 10 мВ вследствие выхода из клетки ионов калия (диффузионный потенциал).
Катионно-анионное равновесие в каждой из сред поддерживается за счет анионов белка, хлорида, фосфата.
Мембранный потенциал покоя в нейронах и мышечных волокнах необходим для возникновения и распространения нервного импульса. При раздражении нейрона отрицательный потенциал исчезает, так как внутренняя поверхность мембраны становится электроположительной по отношению к наружной. Это обратное отклонение достигает 40 мВ. Мембранный потенциал при раздражении нейрона изменяется вследствие повышения проницаемости плазматической мембраны для ионов натрия. Последние диффундируют внутрь клетки, а ионы калия — наружу (поглощение Na+ при этом увеличивается в 20 раз, а выделение К+ — в 9 раз).
В результате деполяризации мембраны возникает электродвижущая сила, обусловливающая восходящую кривую потенциала действия. Вслед за этим в клетке наступают восстановительные процессы (инактивация натриевой проницаемости и реполяризация мембраны). Этот сдвиг регистрируется в виде нисходящей кривой потенциала действия. Изменение мембранного потенциала в одном участке делает более проницаемым соседний участок, в результате чего волна деполяризации и потенциал действия распространяются по волокну.
Активный перенос ионов натрия и калия отмечается в эритроцитах (что обеспечивает их дыхательную функцию), в эпителии почечных канальцев, а также в мембранах некоторых органелл. Предполагается, что активный транспорт типа «насосов» имеется в некоторых клетках организма и для других ионов (Cl—, J—, Са2+, Mg2+).
Недавно установлено наличие специальных веществ-переносчиков (ионофоров), обеспечивающих так называемую облегченную диффузию щелочных металлов через мембраны. Такими веществами являются, в частности, антибиотики циклодепсипептиды — валиномицин, грамицидин и др. (М. М. Шемякин, Ю. А. Овчинников и др.).
Относительно влияния металлов-микроэлементов на функцию клеточных мембран материал только накапливается.