В липидный каркас клеточных мембран встроены белковые компоненты (протеины). На каждую клетку в среднем приходится около 10 пг мембранных белков (МБ). Различают периферические и собственные (интегральные) белки биологических мембран. Белки первого типа располагаются на поверхности липидного бислоя. Здесь связь между липидами и белками осуществляется за счет электростатического взаимодействия между противоположно заряженными полярными группами этих веществ. Интегральные белки взаимодействуют своими гидрофобными областями с углеводородными цепочками липидов только за счет Ван-дер-ваальсовых сил. У интегральных белков все гидрофильные области спрятаны внутрь молекулы, а наружу направлены неполярные группы. В этой связи, собственные белки полностью или частично погружаются в биологическую мембрану, при этом крупные белковые молекулы могут пронизывать БМ насквозь.
Наиболее характерным типом вторичных структур интегральных белков является спираль. Причем, на участках, окруженных липидами, преобладает -спираль, у которой все аминокислотные остатки - гидрофобные. Реже встречается - спираль, представляющая собой полое микро трубчатое образование, наружные стенки которого сосредоточены гидрофобные аминокислотные остатки, а внутрь полости ориентированы гидрофильные группы. Предполагается, что белки, имеющие структуру- спирали, образуют ионные каналы в клеточных мембранах.
В различных мембранах белки распределены среди липидов по-разному. В плазмолемме их распределение довольно равномерное. Для специализированных внутриклеточных мембран, характерно неоднородное распределение белков в БМ.
Различия между клеточными мембранами разных типов, между участками БМ и даже, между сторонами одной и той же мембраны, привели к выводу о гетерогенности БМ. Под гетерогенностью понимают разнородность их структур и функциональных свойств. Особенности молекулярных структур клеточных мембран и предопределяют их физические и физико-химические свойства.
В живых клетках БМ представляют собой жидкокристаллические структуры. Структуры жидкого кристалла образуют как липидные, так и белковые молекулы. Молекулярной организации клеточных мембран, как жидкого кристалла, характерно состояние с высокой степенью упорядоченности и текучести (лабильности).
БМ присущи такие свойства:
- Значительная прочность на разрыв.
- Упругость (эластичность).
- Поверхностное натяжение.
- Вязкость.
- Электрострикция.
- Флексоэлектрострикция.
Два последних свойства обусловлены наличием повторного заряда на БМ.
Поверхностный заряд на клеточной мембране создается полярными головками фосфолипидов, гликопродеидами (главным образом, карбоксильными группами сиаловой кислоты и аминокислотными остатками), а также, гликолипидами. За счет этих веществ, поверхность БМ заряжена отрицательно. Поверхностный заряд плазмолеммы играет важную роль в межклеточных взаимодействиях. Он способствует стабильности мембранных структур, а также, связыванию ионов, находящихся в межклеточной среде. От поверхностного заряда плазмолеммы зависит ионный состав предмембранных слоев, что оказывает влияние на многие внутриклеточные обменные процессы.
Существование заряженных групп на БМ приводит к образованию двойного диффузионного электронного слоя, в котором фиксированный отрицательный заряд клеточной поверхности уравновешен положительным зарядом, который создается межклеточной средой за счет положительных ионов. Подвижность ионов не одинакова в различных условиях. Разность потенциалов между неподвижными и подвижными частями двойного электронного слоя называют электрокинетическим потенциалом или дзета потенциалом. Толщина двойного электрического слоя и дзета потенциала зависит от природы электролита и концентрации ионов (в межклеточной среде). При высокой концентрации электролита, дзета потенциал стремиться к нулю. Когда в межклеточной среде присутствуют двухвалентные катионы, избыток положительного заряда может стать настолько велик, что дзета потенциал изменит свой знак. Снижение дзета потенциала и, тем более, изменение его знака на противоположный, вызывает слипание плазматических мембран соседних клеток. Это проявляется при избытке ионов в межклеточной среде, а также, при перестройках клеточных мембран, приводящих к сдвигам дзета потенциала. Подобный эффект имеет свои особенности у клеток крови, в которых дзета потенциал форменных элементов (эритроцитов) может падать за счет нарушения не только солевого, но и белкового состава кровяной плазмы. Это явление лежит в основе изменения скорости осаждения эритроцитов (СОЭ), измерение которых широко используется в диагностических целях.
Благодаря существованию в БМ заряженных групп, ей присуща ярко выраженная электрострикция, то есть, по мере повышения трансмембранной разности потенциалов, БМ сжимается, что приводит к утоньшению гидрофобной зоны мембраны и, соответственно, к увеличению мембранной емкости. Возрастание дзета потенциала сопровождается увеличением клеточной поверхности.