Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
№65БИОМЕМБРАНЫ Развитие представлений о строении биомембран; типы моделей мембран, их научное значение.
Все биомембраны построены одинаково; они состоят из двух слоев липидных молекул толщиной около 6 нм, в которые встроены белки. Некоторые мембраны содержат, кроме того, углеводы, связанные с липидами и белками. Соотношение липиды : белки : углеводы является характерным для клетки или мембраны и существенно варьирует в зависимости от типа клеток или мембран
Компоненты мембран удерживаются нековалентными связями вследствие чего они обладают лишь относительной подвижностью, т. е. могут диффундировать в пределах липидного бислоя. Текучесть мембран зависит от липидного состава и температуры окружающей среды. С увеличением содержания ненасыщенных жирных кислот текучесть возрастает, так как наличие двойных связей способствует нарушению полукристаллической мембранной структуры. Подвижными являются и мембранные белки. Если белки не закреплены в мембране, они «плавают» в липидном бислое как в жидкости. Поэтому говорят, что биомембраны имеют жидкостно-мозаичную структуру.
В то время как «дрейф» в плоскости мембраны происходит достаточно легко, переход белков с внешней стороны мембраны на внутреннюю («флип-флоп») невозможен, а переход липидов происходит крайне редко. Для «перескока» липидов необходимы специальные белки транслокаторы. Исключение составляет холестерин, который может легко переходить с одной стороны мембраны на другую.
Все клетки окружены цитоплазматической мембраной, которая представляет собой функциональную структуру, толщиной в несколько молекулярных слоев, которая ограничивает цитоплазму и большинство внутриклеточных структур, а так же образует единую систему канальцев, складок и замкнутых полостей, расположенных внутри клетки. Толщина редко превышает 10 нм, в этой структуре плотно упакованы липиды и белки.
В середине XIX века Дюбуа-Реймон впервые сообщил, что между внутренней и внешней поверхностью кожи лягушки имеется разность потенциалов. Моль ввел термин "мембрана" , он изучал цитоплазму клеток растений и выяснил, что она окружена полупроницаемой мембраной. С участием мембраны связаны: фоторецепция, рецепция, БАВ, передача нервного импульса, синтез ДНК.
Модели биологических мембран
В 1935 г. модель Даниэля Доусона унитарная модель биомембран. Липидный бислой – структурная основа. Наружный и внутренний слои – глобулярные белки. Симметричная модель.
Модель Робертсона (середина 60х г). Мембрана представляет собой 3х слойную структуру, средний слой из липидов. Белковые молекулы развернуты на поверхности двойного липидного слоя вследствие электростатических взаимодействий заряженными головками фосфолипидов. Модель Робертсона ассимметрична, так как на наружной поверхности мембраны – гликопротеиды.
В группе моделей предполагается наличие белков матрицы. Модель Лючи (середина 60х г.) – белково-кристаллическая модель.
Модель _______________ (1970) сохраняется концепция липидного бислоя, однако этот слой прирастается участками симметрично расположенных белков, они жестко фиксированны пространственно за счет дальнодействующих белок-белковых свойств.
Модель Сенгера и Николсона. 60-70 г. Основа – липидный бислой, в который включены молекулы интегральных и периферических белков.
Жидкомозаичная модель. С ее помощью объясняется проницаемость мембран.
№ 66 Биофизическая характеристика молекулярных компонентов мембран: белков, липидов, углеводов и их комплексов.
Достаточно высокое содержание липидов, они составляют мембранную матрицу; белки составляют вариабильную часть; углеводы в виде гликопротеидов и гликолипидов. В мембране всегда находится небольшое кол-во воды (важная роль).
Липиды мембраны:
Классификация
Мембранные белки
С трудом поддаются выделению, многие вообще не выделяются без нарушения структуры. Белки в мембране отличаются большим разнообразием. Большинство белков в мембране находятся в виде клубка, 30% белков могут находится на поверхности мембраны в виде спирали. Существует несколько классификаций мембранных белков:
Интегральные белки погружены в мембрану или пронизывают ее насквозь. Периферические белки на поверхности мембраны и слабо связаны с ней – слабые взаимодействия. На поверхности интегральных белков имеется значительно меньше участков, несущих электрический заряд, чем на поверхности периферических белков.
Вандеркой и Капалди 1972 г. – все аминокислоты делятся на полярные, неполярные и промежуточные. Полярность а-к первой группы приняли за 1, полярность а-к второй группы – за 0, полярность а-к третьей группы – за ½. Изучили состав периферических и интегральных белков: 20 видов мембранных белков: средняя полярность всех белков равна 0,46; интегральные белки имеют полярность от 0,3 до 0,4; периферические белки имеют полярность от 0,41 до 0,53.
Углеводы мембранВ связанном виде не встречаются. В состав мембранных углеводов входят следующие сахара: -Д-галактоза,Д-глюкоза, ацетилглюкозамин, ацетилгалактозамин, Д-фруктоза, Д-манноза,Д-ксилоза.
Родопсин – гликопротеин оболочки сетчатки, состоит из углеводородной цепочки (4%), связанной с белками М=28000 Да. Гликопротеиды являются рецепторами для гормонов, медиаторов, пептидов и др. Большое кол-во гликопротеидов в вирусных оболочках (до 40% оболочки).
№67 Вода как составной компонент биомембран:структура, свойства, биологическая роль
Особенности строения воды
Вода является средой с большим количеством водородных связей, именно они определяют особые свойства воды:
Для льда характерно строго упорядоченное расположение молекул воды, под тетраэдрическими углами. Каждая молекула имеет 4 водородных связи между соседними молекулами. Это рыхлая структура. Когда из льда образуется вода, то эта структура разрушается, в жидкой воде встречаются молекулы с 4,3,2,1 и 0 водородными связями. Водородные связи в жидкой воде характеризуются широким набором углов и длин.
Потенциальная энергия. U вод. связ. жидк. воды – непрерывная функция угла межмолекулярной водородной связи и геометрических характеристик молекулы воды.
Существует несколько моделей структуры воды
Жидкая вода состоит из отдельных молекул и структурно связанных кластеров. Кластеры постоянно распадаются и возникают вновь. Это создает усредненное окружение для каждой отдельно взятой молекулы воды, - слабо учитывает молекулы воды в молекулярных группах.
рассматривает структурные изменения воды при различных температурах. Предположим, что во время таяния льда, оторвавшаяся молекула воды заполняет пустоты кристаллической решетки, при этом увеличивается удельный вес. Максимальный удельный вес воды наблюдается при +40С, при более высокой t0 происходит увеличение амплитуды колебаний молекул воды, увеличение занимаемого ею объема и снижению плотности.
С водой связаны многие структурно-функциональные свойства мембран, а так же процессы стабилизации и формирования мембран. Вода входит в состав мембран и делится на свободную, связанную и захваченную. Связанная и свободная вода различается по подвижности молекул воды и растворяющей способности. Наименьшей подвижностью и растворяющей способностью обладает внутренняя связанная вода. Она присутствует в липидной зоне мембран в виде отдельных молекул. Основную часть связанной воды представляет вода гидратных оболочек. Эта вода окружает полярные группы белков и липидов, имеет min подвижность и практически не обладает свойствами растворителя. Свободная вода в порах и каналах. По ней могут перемещаться свободные ионы. Она является хорошим растворителем, подвижная и обладает всеми свойствами жидкой воды. Захваченная вода обладает изотопным движением, характерным для жидкой воды, является хорошим растворителем. Она встречается в центральной зоне мембран, между ее липидными слоями, но эта вода пространственно делится как с внеклеточной жидкостью, так и с цитоплазмой. У нее нет возможности свободно с ними обмениваться.
№ 68 Типы межмолекулярных взаимодействий в мембранах, их природа и роль в стабилизации мембранных структур.
Липид-липдные взаимодействия. Этот термин обычно используют, чтобы вы-
выделить специфические взаимодействия, возникающие в мембранных системах
вследствие неоднородности липидного состава. Среди различных факторов, определяющих соотояние липидов в мембранах, наибольшее значение имеют электростатические силы притяжения и отталкивания между заряженными полярными головками, стерические факторы, учитывающие форму молекул липидов и характер расположения их головок и гидрофобных углеводородных хвостов, «сила гидратации», а также водородные связи между головками липидов. Гидратационные силы играют важную роль при взаимодействии фолипидных мембран между собой. Сохранение слоя воды 10-30 А около наружной полярной поверхности препятствует сближению мембран и их непосредственному контакту. Для удаления такого слоя воды необходимо нарушить его состояние и затратить энергию, что собственно и лежит в основе проявления гидратационнах сил. Энергию взаимодействия системы, состоящей из двух липидных компрнентов
А и Б, можно представить в виде парных потенциалов Фаа, Фвв и Фав- Если разность Фав — 1/2(Флл + Фвв) мала, то в системе будет наблюдаться равномерное распределение компонентов А и Б. Когда же потенциалы взаимодействия сильно различаются, становится возможным скомпенсировать уменьшение энтропии за счет возрастания упорядоченности системы. В этом случае следует ожидать неравномерного распределения липидов и расслоения системы. Поскольку основной вклад в энергию взаимодействия липидов в мембранах обусловлен дисперсионным взаимодействием углеводородных цепей, эти эффекты наиболее явно проявляются в мембранах, сформированных из липидов, резко различающихся длиной углеводородных цепей.
Липид-белковые взаимодействия. В основе данных взаимодействий лежат межмолекулярные дисперсионные и электростатические силы, водородные связи или другие эффекты связывания. Липид-белковые взаимодействия и обусловленные ими явления условно классифицируют следующим образом: взаимодействия белок — липидный монослой; взаимодействия белок — липидный бислой; липид-белковые взаимодействия в мембранах, включающие липид-зависимые ферменты. Взаимодействие белков с липидными монослоями обнаруживается при включении в монослои радиоактивно меченных белков (альбумин, цитохром с). Электростатические взаимодействия между белками и монослоем проявляются в виде резкого изменения сорбции белков на заряженных монослоях при отклонении от изоэлектрической точки белков. В опытах с фосфолипазами показано, что электростатические взаимодействия определяют начальные этапы взаимодействия фермент — липидный монослой. Начальные этапы существенно облегчают последующую пра- правильную стереохимическую ориентацию компонентов фермент-субстратного комплекса.
Взаимодействие белок — липидный бислой—высокоспецифичный и многоста- многостадийный процесс, характеризующийся наряду с поверхностной сорбцией внутримем- бранным встраиванием белков. Экспериментальным критерием встраивания белков в липидный бислой обычно служит изменение ионной проницаемости мембран. В модельных экспериментах встраивание мембранных белков в искусственные бислойные системы играет решающую роль в их успешной функциональной реконструкции.
Липид-белковое взаимодействие в мембранах проявляется при образовании внутри мембран специфичного липидного окружения вокруг белковых молекул. Такие липиды называются связанными или аннулярными (от англ. annular — кольцеобразный). В настоящее время, однако, окончательно не решен вопрос о возможности формирования вокруг белков в жидкокристаллических мембранах (при Г > ГфП) специфического липидного окружения, характеризующегося сравнительно медленным обменом с остальными липидами. Тем не менее с помощью метода ЭПР доказано изменение подвижности и характера упаковки углеводородных цепей под влиянием белков. Более того, методами ЭПР, ЯМР, флуоресценции и другими показано, что пертурбирующее действие различных интегральных и периферических белков (цитохром-с-оксидаза, цитохром с, полилизин, миелин, родопсин, белки тилакоидных мембран и др.) распространяется вплоть до четвертого слоя липидов, окружающих молекулу белка.
Белок-белковые взаимодействия. Эти взаимодействия проявляются в мембра- мембранах в виде обратимой внутримембранной агрегации мембранных белков, часто со- сопровождающейся изменением функциональной и ферментативной активности системы. Так, в мембранах эритроцитов равномерно распределены белковые внутри- мембранные частицы, обратимо агрегирующие при значениях рН ниже 5,5. Агрегация чувствительна к составу водной фазы; при возрастании концентрации электролитов и низких значениях рН агрегация приостанавливается. Эта внутримембранная агрегация белковых частиц в эритроцитах коррелирует с изменением распределения поверхностных рецепторов.
№69 Физические свойства биомембран. Подвижность компонентов мембраны (вращательное движение, латеральная и вертикальная диффузия).
Физические свойства мембран.
1. подвижность. 3 типа(липидные):
A) круговые/вращательные - поворот молекул липидов вокруг оси. Время поворота 10-9 – 10-12 секунд, (если гидрофильный участок сбалансирован - скорость вращения высокая)
Б) латеральная подвижность - движение в одном из слоев. V= lсp =, где D - коэффициет
латеральной диффузии - зависит от химической природы липида
Одна молекула липида способна пройти через всю поверхность за 0,4/11 секунд.
B) флип-флоп переходы. Переход с внешнего слоя мембраны на внутренний, половина молекул переходит ~ за 24 часа.
Этими же типами подвижности обладают и белки, но скорость их гораздо меньше. Это обусловлено: большими размерами, жестким взаимодействием с захваченной водой, взаимодействием с липидами и другими белками. Связи:
- Н-Н связи (ион Н+ и любой отриц&тельнозаряженный ион)
- Ван-дер-Ваальсовы (3 типа)
ориентационные взаимодействия (между постоянными диполями), индуцибельные (одна молекул диполь, вторая не полярна, но поляризуется под действием диполя), возникновение мгновенных диполей.
2 вязкость и упругость Вязкость обеспечивается межмолекулярными взаимодействиями
№70 Фазовые переходы в мембранах; факторы, инициирующие фазовые переходы мембран. Жидкие кристаллы в структуре мембран, их свойства.
Природные и искусственные мембранные системы могут находиться в двух основ-
основных фазовых состояниях: в виде твердого двумерного кристалла (гель) или в жидкокристаллическом (расплавленном) состоянии.
Температурная точка основного фазового перехода, или параметр Гфп систем, образованных из индивидуальных липидов, в сильной степени зависит от длины и степени ненасыщенности углеводородных цепей липидов. Температура фазового перехода увеличивается с увеличением длины цепей и уменьшается с увеличением степени ненасыщенности жирнокислотных остатков.
Жирнокислотные цепи природных липидов обычно содержат ненасыщенные связи. Вследствие этого у большинства природных мембран ГфП лежит в области
отрицательных температур, т. е. в естественных условиях они находятся в «жидком» состоянии. Основной фазовый переход в этих мембранах происходит лишь после того, как они окажутся «вморожены» в водную фазу.
В искусственных и реконструированных мембранных системах, построенных
из индивидуальных синтетических, как правило насыщенных, липидов, точки фазовых переходов лежат в области положительных температур. Аналогичная картина наблюдается у некоторых ауксотрофных микроорганизмов, которые не способны синтезировать жирные кислоты и используют для построения собственных мембран только липиды, присутствующие в питательной среде. В отношении структурных перестроек переход гель — жидкокристаллическое состояние представляет собой переход углеводородных цепей из полностью тракс-состояния в разупорядоченное состояние (жидкоподобная а-фаза). При таких переходах площадь, приходящаяся на молекулу липида, меняется. Например, для мембран из дипальмитоиллецитина она меняется от 0,48 до 0,58 нм2, среднее расстояние между цепями увеличивается от ~ 0,49 до 0,53 нм, а толщина углеводородного слоя уменьшается почти на 0,5 нм.
Относительное изменение объема при фазовом переходе невелико: AV/V ~ 1,5%.
Это означает, что латеральное расширение компенсируется утонынением слоя. Гипотеза петли (кинка). Плавление жирнокислотных цепей при фазовом перехо-
переходе обусловлено вращательной изомеризацией.Наименьшей энергией
обладает транс-, а наибольшей— цмс-конфигурация. -Гош-конформации (гош (+)и гош (—), поворот на ±120° относительно транс- конформации) сравнительно мало превышают по энергии тракс-конформацию (на 2-3 кДж/моль), но эти состояния разделяет энергетический барьер высотой~ 12-17 кДж/моль. Если углеводородные цепи в полностью траке-конфигурации представляют собой линейные структуры, то появление одиночной гош-конформации в цепи приводит к искривлению пространственной конфигурации цепи на угол ~ 120°. В плотно упакованных мембранных системах с полностью тракс-конформацией углеводородных цепей это искривление порождает серьезные стерическиезатруднения, делающие невозможным появление одиночных гош-конформаций. Уменьшение стерических затруднений при плавлении углеводородных цепей в мембранах достигается при синхронном появлении в цепи сразу двух гош-кон- фигураций (гош (+) и гош (—)), разделенных С—С-связью в тракс-конформации. Хотя энергия такого состояния вдвое выше одиночной гош-конформации, возникающее ротационное состояние цепи не вызывает сильного расширения решетки, так как при последовательном повороте цепи на +120 и —120° пространственная конфигурация цепи в целом сохраняется прямолинейной. Участок цепи, находящийся в гош (+)-транс-гош (—)-конформации, формирует уступ или петлю в углеводородной цепи, которую часто называют кинком (от англ. kink —петля).
При фазовом переходе в мембранах изменяются скачком упорядоченность системы (энтропия) и ее объем, т. е. объем и энтропия системы, являющиеся первыми производными свободной энергии (dG/дТ) = —S и (dG/др) = V, претер- претерпевают разрыв в точке фазового перехода. Это означает, что фазовые переходы в мембранах относятся к переходам первого рода.
№71 Биофизическая характеричтика липидов: строение, свойства, классификация
Липиды представляют собой обширную группу соединений, существенно различающихся по своей химической структуре и функциям. Поэтому трудно дать единое определение, которое подошло бы для всех соединений, относящихся к этому классу.
Можно сказать, что липиды представляют собой группу веществ, которые характеризуются следующими признаками: нерастворимостью в воде; растворимостью в неполярных растворителях, таких, как эфир, хлороформ или бензол; содержанием высших алкильных радикалов; распространенностью в живых организмах.
Под это определение попадает большое количество веществ, в том числе такие, которые обычно причисляют к другим классам соединений: например, жирорастворимые витамины и их производные, каротиноиды, высшие углеводороды и спирты. Включение всех этих веществ в число липидов в известной степени оправдано, потому что в живых организмах они находятся вместе с липидами и вместе с ними экстрагируются неполярными растворителями. С другой стороны, имеются представители липидов, которые довольно хорошо растворяются в воде (например, лизолецитины). Термин «липиды» является более общим, чем термин «липоиды», который объединяет группу жироподобных веществ, таких, как фосфолипиды, стерины, сфинголипиды и др.
Липиды играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Будучи одним из основных компонентов биологических мембран, липиды влияют на их проницаемость, участвуют в передаче нервного импульса, создании межклеточных контактов. Жир служит в организме весьма эффективным источником энергии либо при непосредственном использовании, либо потенциально – в форме запасов жировой ткани. В натуральных пищевых жирах содержатся жирорастворимые витамины и «незаменимые» жирные кислоты. Важная функция липидов – создание термоизоляционных покровов у животных и растений, защита органов и тканей от механических воздействий.
Существует несколько классификаций липидов. Наибольшее распространение получила классификация, основанная на структурных особенностях липидов. По этой классификации различают следующие основные классы липидов.
A. Простые липиды: сложные эфиры жирных кислот с различными спиртами.
1. Глицериды (ацилглицерины, или ацилглицеролы – по международной номенклатуре) представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот.
2. Воска: сложные эфиры высших жирных кислот и одноатомных или двухатомных спиртов.
Б. Сложные липиды: сложные эфиры жирных кислот со спиртами, дополнительно содержащие и другие группы.
1. Фосфолипиды: липиды, содержащие, помимо жирных кислот и спирта, остаток фосфорной кислоты. В их состав часто входят азотистые основания и другие компоненты:
а) глицерофосфолипиды (в роли спирта выступает глицерол);
б) сфинголипиды (в роли спирта – сфингозин).
2. Гликолипиды (гликосфинголипиды).
3. Стероиды.
4. Другие сложные липиды: сульфолипиды, аминолипиды. К этому классу можно отнести и липопротеины.
B. Предшественники и производные липидов: жирные кислоты, глице-рол, стеролы и прочие спирты (помимо глицерола и стеролов), альдегиды жирных кислот, углеводороды, жирорастворимые витамины и гормоны.
№72 Искусствен мембраны, их строение, классификация, теоретическое и практическое значение. Отличие от природных мембран.
Искусственная мембрана обычно представляет собой жесткую селективно-проницаемую перегородку, разделяющую массообменный аппарат на две рабочие зоны, в которых поддерживаются различные давления и составы разделяемой смеси.
Мембраны могут быть выполнены в виде плоских листов, труб, капилляров и полых волокон. Мембраны выстраиваются в мембранные системы. Наиболее распространенные искусственные мембраны — полимерные мембраны. При определённых условиях, преимущественно могут быть использованы керамические мембраны.
Некоторые мембраны работают в широком диапазоне мембранных операций, таких, как микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос, первапорация, сепарация газа, диализ или хроматография. Способ применения зависит от типа функциональности включеной в мембрану, которые могут быть основаны на изоляции по размеру, химическом родстве или электростатике.
№73 Монослой на границе раздела фаз. Липосомы и протеолипосомы. Бислойные липидные мембраны.
Моносло́й Ленгмю́ра или нерастворимый монослой — это нерастворимый слой толщиной в одну молекулу органического материала, распространённый в водной фазе. Обычно для приготовления монослоёв Ленгмюра используются амфифильные материалы, которые достигают гидрофильной группы и гидрофильного хвоста. Начиная с 1980-х монослои Ленгмюра были получены из множества других материалов, включая макромолекулы, такие как полимеры. Монослои Ленгмюра широко изучаются для производства плёнок Ленгмюра-Блодгетта (LB-плёнки), которые формируются размещением монослоёв на твёрдых подложках.
Моносло́й Ги́ббса или растворимый монослой - это монослой, формируемый на смеси, которая растворяется в одной из фаз, разделяемых поверхностью, на которой формируется монослой.
Время формирования
Время формирования монослоя — промежуток времени, который в среднем требуется на покрытие поверхности адсорбатом, таким как кислород, осаждающийся на свежий алюминий. Если адсорбат имеет единый коэффициент прилипания, то каждая молекула, которая достигает поверхности, осаждается на ней без отражения.
Фазы монослоя и уравнения состояния
Монослой Ленгмюра может быть сжат или расширен путём изменения его области сдвигом барьера в сбалансированной плёнке Ленгмюра. Если поверхностное натяжение границы раздела измеряется путём сжатия, получается «изотерма сжатия». Эта изотерма демонстрирует изменение поверхностного давления (Π = γo − γ, где γo - поверхностное натяжение границы раздела перед формированием монослоя) на поверхности (обратная поверхностная концентрация Γ − 1). Это является аналогичным трёхмёрному процессу, где давление изменяется в зависимости от объёма.
Разнообразие бипространственных фаз может быть обнаружено через разделение фазовыми переходами. В течение фазового перехода поверхностное натяжение не меняется, но изменяется площадь, так же как и в нормальных фазовых переходах изменяется объём, а давление остаётся постоянным.
Монослои часто возникают в биологии. Мицелла является монослоём, а фосфолифид жидкого слоя клеточной мембраны технически является двумя монослоями.
ЛИПОСОМЫ (от греч. lipos - жир и sоma - тело) (липидные везикулы), искусственно получаемые частицы, к-рые образованы одним или неск. концентрическими замкнутыми липидными бислoями; внутр. водный объем Л. изолирован от внеш. среды. В зависимости от размера частиц и числа образующих их липидных слоев различают след. Л.: 1) малые моноламеллярные, образованные одиночным липидным бислоем (диаметр 20-50 нм); 2) крупные моноламеллярные, образованные также одиночным бислоем (диаметр 50-200 нм и выше); 3) многослойные (мультиламеллярные), насчитывающие до неск. десятков и даже сотен липидных бислоев (диаметр до 5000-10000 нм). Для приготовления Л. обычно используют фосфолипиды. Многослойные Л. легко образуются при встряхивании водной дисперсии набухшего липида. При этом получается взвесь Л. с широким распределением частиц по размерам. Сравнительно гомог. дисперсию Л. можно получить, пропустив их через поликарбонатные фильтры с заданным размером пор. Расстояние между соседними липидными бислоями составляет 2-3 нм, но может возрастать до 20 нм и более в случае заряженных бислоев. На 1 моль липида многослойные Л. содержат 1-4 л воды. Они обладают св-вами идеального осмометра, меняя свой объем в ответ на изменение концентрации в-в в окружающей водной среде. Малые моноламеллярные Л. получают из многослойных при обработке их ультразвуком, при впрыскивании спиртового р-ра липидов в водную среду, продавливанисм под большим давлением воднолипидных дисперсий через небольшое отверстие, а также удалением детергента, солюбилизирующего липид, диализом или гель-фильтрацией. Такие Л. содержат 0,2-1,5 л воды на 1 моль липида. Малые моноламеллярные Л. не обладают осмотич. активностью и не коагулируют в течение длит. времени. Большие моноламеллярные Л. имеют значит. внутр. объем воды (8-14 л на 1 моль липида) и обладают осмотич. активностью. Обычно их получают удалением солюбилизирующего детергента в условиях контролируемого диализа или впрыскиванием р-ра липида в легколетучем р-рителе (диэтиловый эфир, петролейный эфир, пентан) в подогретую до 60 °С воду. Крупные однослойные Л. могут быть также получены из малых липосом путем их слияния под действием Са2+ или в условиях термотропного фазового перехода. Получены также Л., образованные липидами (или подобными молекулами), к-рые способны полимеризоваться (содержат обычно связи С—С или ). Полимеризация может осуществляться как в гидрофобной, так и в гидрофильной области бислоя и приводить к т. наз. полимерным Л. Последние отличаются от обычных Л. большей стабильностью. Л. широко используют в качестве модельных систем при изучении принципов мол. организации и механизмов функционирования биол. мембран. Они пригодны для изучения пассивного транспорта ионов и малых молекул через липидный бислой. Изменяя состав липидов в Л., можно направленно менять св-ва мембран. Включением мембранных белков в липидный бислой получают т. наз. протеолипосомы, к-рые используют для моделирования разнообразных ферментативных, транспортных и рецепторных ф-ций клеточных мембран. Л. используют также в иммунологич. исследованиях, вводя в них разл. антигены или ковалентно присоединяя к Л. антитела. Они представляют собой удобную модель для изучения действия на мембраны мн. лек. ср-в и др. биологически активных в-в. Во внутр. водный объем Л. (в т. ч. полимерных) можно включать лекарства, пептиды, белки и нуклеиновые к-ты, что создает возможность практич. применения Л. в качестве ср-ва доставки разных в-в в определенные органы и ткани.
№ 73Монослои. Жидкие кристаллы
Основные мембранообразующие липиды представляют собой соединения с иде-
альным сочетанием гидрофобных и гидрофильных свойств. Они сравнительно
плохо растворимы в воде в мономерном виде, а стремление их полярных головок
максимально контактировать с водой придает им уникальные способности обра-
образовывать многообразные сравнительно устойчивые структуры при агрегации этих молекул.
Нерастворимые монослои на границе раздела вода-воздух. Большинство мем-
бранообразующих липидов при нанесении их на поверхность воды практически
не растворяется в объемной фазе, а быстро растекается по поверхности, обра-
образуя мономолекулярный слой (И. Ленгмюр, 1933). При сжатии монослоя начинают проявляться межмолекулярные взаимодействия, нарушающие состояние идеального двумерного газаю.
Дальнейшее возрастание давления приводит к формированию так называемой
растянутой жидкой пленки. Молекулы в этом состоянии обладают всеми степенями свободы, как и в обычной жидкости, однако их полярные головки фиксированы на поверхности раздела фаз. Углеводородные цепи молекул в этом состоянии склонны к агрегации и взаимопроникновению. При дальнейшем возрастании давления в монослое будет реализовываться наи-
наиболее плотная упаковка молекул, т. е. их вертикальная ориентация. Вначале подвижность углеводородных цепей будет выше, чем у полярных головок, так как
последние сильно гидратированы. В этом состоянии сохраняется возможность движения молекул в плоскости поверхности (латеральная подвижность) и его можно рассматривать как конденсированную жидкую пленку. Дальнейшее уплотнение слоя при возрастании давления может произойти лишь за счет разрушения гидратных оболочек полярных головок, после чего слой становится практически несжимаемым и находится в твердоконденсированном состоянии, где площадь поперечного сечения молекул не зависит от длины углеводородной цепи. Площадь поперечного сечения углеводородной цепи составляет ~ 0,2 нм2, предельная площадь молекул насыщенного фосфатидилхолина — 0,44 нм2, а фосфа- тидилэтаноламина ~ 0,4 нм2. После превышения некоторого предельного давления монослой начинает разрушаться — состояние коллапса.
Поверхностные монослои широко используют в качестве модельных мембранных систем. С их помощью изучают подвижность и типы упаковки молекулярных компонентов в мембранах, межмолекулярные взаимодействия в мембранах, механические свойства мембран; исследуют кинетику и механизмы ферментативных процессов, протекающих на границе раздела фаз; изучают процессы переноса ионов и электронов через границу раздела фаз, инжекцию заряда в липидный слой (диэлектрик) и т. д. Однако этот метод имеет ряд ограничений, в значительной степени обусловленных тем, что монослой — это лишь половина липидного слоя мембран, обращенного в газовую фазу. Последнего ограничения удается избежать при использовании в качестве мембраны мономолекулярного слоя, образующегося на границе двух несмешивающихся жидкостей (углеводород-вода). Более адекватные модели, представляющие собой липидные бислои, удается получить в виде полимолекулярных структур, которые образуются липидами в объеме водной фазы.
Лиотропный и термотропный полиморфизм липидов. Как было показано, по-
полярные части мембранообразующих липидов сильно взаимодействуют с водой, поэтому эти соединения могут смешиваться с водой в любых соотношениях. Однако возникающие смеси не представляют собой истинных растворов, а образуют многообразные упорядоченные фазы с периодической структурой. В зависимости от количества присутствующей в системе воды эти фазы закономерно (для конкретных липидов) переходят друг в друга (рис. XV.4; лиотропный полиморфизм). Изменение структурной организации системы липид — вода в зависимости от температуры получило название термотропного полиморфизма. Устойчивость того или иного типа мезофаз и диапазон их существования определяются гидрофобным эффектом, а также эффективной геометрической формой липидных молекул. Наличие нескомпенсированного заряда на полярной головке молекул липида, например фосфатидилсерина, затрудняет формирование плоских структур этими молекулами вследствие эффекта электростатического отталкивания. Такие молекулы проявляют повышенную склонность образовывать радиально ориентированные структуры с большой кривизной поверхности.
Сложные протяженные и чередующиеся структуры характеризуются анизотропией механических, электрических, магнитных и оптических свойств. Эти структуры обладают промежуточными свойствами между жидкостями и твердыми кристаллами и представляют собой типичные жидкокристаллические (мезоморфные) состояния липидов. Как правило, состояние клеточных мембран, обеспечивающее их оптимальную функциональную активность, относится к жидкокристаллическому типу. Внутреннее строение липидного бислоя в жидких кристаллах отличается от состояния углеводородов в растворе, хотя в обоих случаях эти структуры гидрофобны. Большая часть анизотропного бислоя в жидком кристалле высокоупорядочена и только относительно небольшие участки в середине биолоя жидкоподобны. Из всего разнообразия зарегистрированных мезофаз с биологической точки зрения наиболее интересны однопространственная ламеллярная и двухпространственная цилиндрическая, или гексагональная. Повышенный интерес к небислойным, в частности гексагональным (или мицел-
лярным), структурам обусловлен способностью этих структур формировать сквоз-
сквозные поры, резко увеличивающие проницаемость мембран для воды и растворенных веществ.
Искусственные бислойные мембраны
Мультиламеллярные липосомы. Плоские ламеллярные структуры проявляют
склонность (при энергичном встряхивании) образовывать замкнутые сферические
частицы. Этот процесс энергетически выгоден, так как в этом случае достигает-
достигается минимум площади контакта гидрофобных поверхностей с водой. При простых механических воздействиях образуются в основном многослойные частицы (диаметром в несколько микрометров) с концентрической организацией слоев — мультиламеллярные липосомы или везикулы (мешочки). В этих частицах липидные бислои отделяют внутреннюю водную фазу от внешнего раствора. Такая организация позволяет использовать мультиламеллярные липосомы для исследования барьерных свойств липидного бислоя и некоторых других специальных задач. Мультиламеллярные липосомы осмотически активны: они изменяются в объеме при изменении осмотических свойств внешней среды.
Моноламеллярные липосомы. Более энергичное воздействие на грубые фосфо- липидные дисперсии, например с помощью ультразвукового излучения, вызывает образование моноламеллярных (однослойных) везикул (диаметр 20,0-40,0 нм). В зависимости от эффективной конфигурации липидных молекул (критический параметр упаковки и заряд) размеры моноламеллярных липосом могут несколько варьировать.
Моноламеллярные липосомы широко и эффективно используют в разнообразных исследованиях биологического и медико-биологического характера. Тем не менее, малый внутренний объем и осмотическая неактивность липосом существенно сужают круг этих исследований. В последнее время разработаны методики получения больших A00 нм в диаметре и более моноламеллярных липосом, которые лишены этих недостатков.
Протеолипосомы. Многие мембранные белки и мелкие фрагменты биологических мембран сравнительно легко могут быть включены в состав искусственных везикулярных мембран. Такие комбинированные системы называются протеоли- посомами. Эффективность встраивания большинства белков компонентов в искусственные мембранные системы резко зависит от липидного состава мембран, рН, солевого состава, температуры и т. д. Как правило, эффективность встраивания белковых молекул или липопротеиновых фрагментов мембраны возрастает в присутствии небольших количеств детергентов. Полагают, что сравнительно мелкие молекулы детергентов заполняют дефекты на границе белковой молекулы в мембране, экранируя гидрофобные участки мембраны от воды. Исключительная ценность протеолипосом как искусственных мембранных систем в первую очередь определяется широкими возможностями, которые эти системы предоставляют для исследования функционирования многих важных ком- понентов биологических мембран. По существу, получение протеолипосом можно рассматривать как последний этап перед полной реконструкцией функционирующих мембранных систем из составляющих их компонентов.
Следует отметить, что способность образовывать замкнутые везикулярные частицы свойственна не только искусственным липидным системам. Она широко
проявляется при различных способах фрагментации биологических мембран (ультразвук, детергенты, механическое диспергирование и пр.). Замкнутые мембранные пузырьки образуют фрагменты мембран саркоплазматического и эндоплазматического ретикулума, внутренней мембраны митохондрий. В некоторых случаях удается получить везикулы с вывернутой ориентацией мембран, что чрезвычайно важно для изучения структурно-функциональной организации этих мембран.
Плоские бислойные лшшдные мембраны. Липиды, спонтанно образующие ла-
меллярные слои, обычно способны формировать бислойные структуры (БЛМ или
«черные» пленки) на небольших отверстиях в тонких гидрофобных материалах. Это явление впервые было описано О. Мюллером и соавторами A962), которые получили БЛМ из фосфолипидов мозга на небольших отверстиях @,5-5,0мм2) в тефлоновой перегородке, разделяющей две водные фазы. Доказав бислойность сформированных мембран, авторы с помощью простой электроизмерительной техники охарактеризовали важнейшие электрические параметры этих мембран. Относительная простота получения БЛМ, широкий спектр применения разнообразных электроизмерительных методов исследования, возможность изменять в широких пределах липидный состав БЛМ и состав омывающих растворов, включать в БЛМ разнообразные модификаторы барьерных свойств мембран, функционально активные элементы биологических мембран — все это быстро обеспечило этим искусственным мембранным системам центральное место в современной экспериментальной мембранологии.
Общая схема ячейки для формирования БЛМ и несколько последовательных этапов формирования бислойной структуры приведены на рис. XV. 7. Процесс образования БЛМ начинается с нанесения небольшого количества подходящего липида, растворенного обычно в жидких углеводородах (гексан, октан, декан и др.), на отверстие в тефлоновом стаканчике Далее эта толстая пленка самопроизвольно утонынается вплоть до образования бислойной структуры.. Главными силами, определяющими поведение пленки, являются межфазное (поверхностное) натяжение а и ван-дер-ваальсовы силы притяжения водных фаз по обе стороны пленки, сжимающие пленку в поперечном направлении,— расклинивающее давление