Biokhimia_T1_Strayer_L_1984 (1123302), страница 57
Текст из файла (страница 57)
пы Рис. 10.6. Пространственная модель молекулы фосфатидилхолина. Рис. 10.7. Пространственная модель молекулы сфингомиелина. расположен практически так же, как остаток фосфорилхолина в сфингомнелине. Все этгг позволило прибегнуть к следующему способу изображения мембранных липидов: гидрофильную часть, называемую также полярной головкой, рисуют в виде кружочка, тогда как углеводородные хвосты -в виде прямых или волнистых линий (рис. 10.8). Посмотрим теперь, как ведут себя фосфолипиды и гликолипиды в водной среде. Вполне очевидно, что их полярные головки обладают сродством к воде, тогда как углеводородные хвосты отталкивают воду.
Следовательно, в водной среде фосфолипиды полярная головка ! Углеводородный хвост Рнс. 10.8. Символическое изображение молекулы фосфолипида или гликолипида. Ф ф , '.- ° ° = .==--=-е 7' '. Ф Э Рис. 10.9. Схематическое изображение отрезка мицеллы, образованной молекулами фосфолипида. ложена в структуре липилных молекул и определяется ~лавным образом их амфипатическими свойствами.
Формирование в воде липидных бислоев из гликолипидов или фосфолипндов идет быстро и спонтанно. Основная сила, обеспечивающая салтсборку бислоя;это гидрофобиые взаимодействия. Вспомним, что гидрофобные взаимодействия играют также главную роль в складывании белковых молекул в водном растворе. По мере того как углеводородные хвосты мембранных липидов попадают во внутреннюю, неполярную часть бислоя, они теряют окружавшие их молекулы воды. Такое выделение воды приводит к большому увеличению энтропии.
Кроме того, между углеводородными хвостами возникают вандерваальговы взаимодействия, способствующие плотной упаковке углеводородных хвостов липидов внутри бислоя. И наконец, образованию бислоев способствует возникновение электростатических гил и водородных связей между полярными годовками и молекулами воды. Итак, в стабилизации липидных бислоев участвуют все те силы, которые обеспечивают молекулярные взаимодействия в биологических системах.
и гликолипнды могут образовать мичеллы, у которых полярные головки находятся на поверхности, а углеводородные хвосты спрятаны внутрь (рнс. !0.9). Возможен и другой способ организации, удовлетворяющий пщрофильным и гилрофобным требованиям мембранных липидов, а именно образование бимолекуляриого слоя, или иначе липидиигп бислоя (рис. !О.!О). Оказалось, что в водной среде болыиияство фосфолипидов и гликолипидов образуют имеяно бимолекуляриый слой. а не миреллу. Такое предпочтительное образование структуры бислоев имеет огромное значение в биологии.
Дело в том, что размеры мицелл обычно невелики — менее 200 А в диаметре. Бимолекулярные слои, напротив, достигают макроскопических размеров, вплоть до миллиметра (107 А). Фосфои гликолипиды являются ключевыми компонентами мембран именно потому, что они легко образуют бимолекулярные слои. Кроме того, этн бислои, несмотря на жидкое состояние, могут выполнять функцию барьеров проницаемости. Образование липидных бислоев осуществляется путем самосборки. Другими словами, способность к образованию бислоя за- 105. Лнпилные бислои .нековалентные кооперативные структуры Еще одно важное свойство липидного бислоя †э кооперапшвность его структуры.
Цельность бислоя обеспечивается множе- = ° =Ф = ° = — ° = ° =Ф =Ф = ° =Э =Ф Рис. 10.10. Схематическое изображение отрезка двуслойной мембраны, образованной молекулами фосфолипидов. 1О. Введение в проблему биологических мембран Рнс. 10.11. Пространственная модель озрезка фосфолишщной двуслойной мембраны, обладающей высокой текучестью. ством усиливающих друг друга неховалентных взаимодействий. Фосфолипилы н гликолипиды образуют в воде конгломераты (кластеры), в которых контакт углеводородных цепей с водой сведен до минимума.
Эту ситуацию можно сравнить с овцами, сбившимися в тесную кучу в холодную погоду, чтобы снизить потерю тепла. Образованию кластеров способствуют также вандерваальсовы взаимодействия между соседними углеводородными цепями. Эти энергетические факторы приводят к трем биологически важным последствиям: !) липидные бислои имеют тенденцию к увеличение своей поверхности; 2) липидные бислои стремятся замкнуться на себя так, чтобы на концах не оставалось доступных для контакта с водой углеводородных цепей; в результате замыкания возникает отграниченное пространство (компартмент); 3) ли- Часть ! 206 Конфирмация н динамика пндные слои способны самозапечатываться (самосшиваться), поскольку любая дырка в бислое энергетически невыгодна.
10.6. Липндные бислон непроницаемы для ионов н многих полярных молекул Измерение проницаемости липидных бислоев проводилось в двух четко охарактеризованных искусственных системах: липидных пузырьках и пюских двуслойных мембранах. С помощью этих модельных систем удалось определить основную функцию биологических мембран, а именно их роль непроницаемого барьера. Решающую роль имеет тот факт, что липндные бислои по своей природе оказались непроницаемы для ионов и большинства полярных соединений. Лияидные пузырьки (называемые также липосомами) представляют собой водную фазу, окруженную липидным бнслоем (рис.
10.12). Для получения липосом приготовляют суспензию какого-либо подходящего липида, например фосфатидилхолина, в водной среде. Далее смесь обрабатывают улыпразвуком; в результате образуются замкнутые липидные пузырьки одинакового размера. Липидные пузырьки можно также получить, быстро смешивая с водой раствор липидов в этаноле. Этого можно достичь Внутрвннвв ов пространство -.
° -- —.— ° :- ° Э ° l ивиорана Гпицин внутри липиднык ввзикуп глицин в н,О Галь. фильтрацил Оврааотка ультразвуком опипид пидных пУзыРьков, содеРжа- 10. Введение в проблему щих молекулы глицина. биологических мембран Рис. 10.12. Схематическое изображение лнпндного пузырька. ну~ем введения раствора липидов через тонкую иглу, что приводит к образованию пузырьков почти правильной сферической формы с диаметром около 500 А.
Для получения пузырьков большего размера (порядка !Оз А, или 1 мкм в диаметре) из суспензии фосфолипидов в смешанной системе растворителей медленно выпаривают органический растворитель. Если получать лнпосомы в присутствии каких-то растворенных в воде ионов или молекул, то эти вещества окажутся в водной фазе липосом (рис.
10.13). Так, например, если липосомы диаметром 500 А образуются в 0,1 М растворе глицнна, то внутри каждой из них окажется примерно 2000 молекул глицина. Такие содержащие глнцин липосомы можно отделить от окружающего раствора глнцина путем диалнза или гель- фильтрации. Если требуется определить проницаемость мембранного бислоя в отношении глицина, то для этого нужно измерить скорость выхода глицина из внутреннего компартмента липосом во внешнюю среду. Липосомы представляют интерес не только в плане изучения проницаемости. Оказалось, что они способны к слиянию Рис. 10.13. Приготовление суспензии ли- с плазматической мембраной различных клеток, а это открывает возможность для введения в клетки самых разнообразных веществ, не способных проникать через мембрану.
Избирательное слияние липосом с клетками определенных типов может быть успешно использовано для контролируемой доставки лекарственного вещества к клетке- мишени. Второй тип искусственной мембраны— плоская двуслойная мембрана (илн мембранный бислой). Получают эту структуру, используя отверстие размером 1 мм в перегородке между двумя водными растворами. Такая мембрана очень удобна для изучения электрических явлений в силу большого размера и простой формы.
Способ получения больших двуслойных мембран разработали Поль Мюллер и Донадд Рудин (Р. Мне!1ег, П. Кпбш). В раствор липида, из которого хотят получить мембрану, например в раствор фосфатиднлхолнна в декане, опускают тоненькую кисточку. Затем концом кисточки делают взмах через отверстие (диаметром 1 мм) в перегородке между двумя водными растворами.
В результате отверстие перегораживается спонтанно образовавшейся тонкой лнпидной пленкой; избыток липидов скапливается по краям отверстия. Формирование плоской двуслойной мембраны из фосфатидилхолина занимает несколько минут. Нетрудно определить электропроводность такого макроскопического бнслоя, поместив электроды в водную фазу по обе стороны мембраны (рис. 10.14).
Можно определить, например, и ионную проницаемость мембраны, измеряя величину проходящего через нее тока в зависимости от приложенного напряжения. Исследование проницаемости мембранных пузырьков и электропроводности плоских бислоев показало, что лилидная дву- Элекгрод ° == — Э Э=' = ° ~ =Э Ф:= — ° ° == = ° яж.---= =Э Ф=:= — Э Ф=:= = ° ° к.==- =Э ° ="- — ° ° ==' = ° Э==' = ° "Э вЂ”.= = — ° деуслойная меиарене Водная фаЗа Рнс. 10.14. Экспериментальная установка для изучения плоских двуслойных мембран. Двуслойная мембрана образуется таким образом, что затягивает собой отверстие диаметром ! мм в перегородке, разделяющей две водные фазы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
