Биохимия 1 (1984) (1128709), страница 56
Текст из файла (страница 56)
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 аоверхности; 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 нли 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. Часть ! 200 Конформации н динамика слойная мембрана обладает очень малой проницагмостью для ионов и большинства полярных молекул.
Исключение из правила составляет вода, проникающая через такие мембраны. Экспериментально полученные коэффициенты проницаемости варьируют в широких пределах (рис. ! 0.15). Так, Ха+ и К проходят через мембраны в 10 раз медленнее, чем вода. Триптофан, который при рН 7 является биполярным ионом, проходит через мембраны в ! Оз раз медленнее, чем индол, который сходен с триптофаном по структуре, но не несет ионизированных групп.
Коэффициенты проницаемости для низкомолекулярных соединений коррелируют с отношением их растворимости в не- полярных растворителях к растворимости в воде. Эта зависимость дает основание думать, что низкомолекулярные соединения проходят сквозь двуслойную мембрану следующим образом: сначала ани теряют окружающую их гидратную оболочку, затем растворяются в углеводородном внутреннем слое мембраны, наконец диффундируют через этот внутренний слой к другой стороне мембраны, где вновь растворяются в воде. 10.7. Большицство мембранных процессов опосредована белками Обратимся теперь к мембранным белкам, ответственным за большинс~во динамических процессов, осуществляемых мембранами.
Мембранные липиды создают барьеры проницаемости и тем самым отграничивают отдельные участки (компартменты), тогда как специфические белки опосредуют отдельные функции мембран, такие, как транспорт, передачу информации и преобразование энергии. При этом мембранные липиды создают среду, необходимую для действия этих белков. Мембраны различаются между собой по содержанию белка. Так, в миелине, который служит изолирующей оболочкой многих нервных волокон, содержится мало белка (!8%).
Основной компонент миелина — липид с прекрасными изоляционными свойствами. С другой стороны, в большинстве клеток плазматические мембраны обладают значительно более высокой активностью н содержат различные насосы, каналы, рецепторы, ферменты. Количество белка в таких плазматических мембранах достигает, как правило, 50;ы Наиболее высоким содержанием белка, вплоть до 75%, характеризуются мембраны, функционирующие как преобразователи энергии, в частности внутренние мембраны митохондрий и хлоропластов. С помощью электрофореза в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия (ДСН) удается выявить основные мембранные белки. Н,С вЂ” (СН,)зе — СНзОЯО,(ь(а' Дадеинлсульфат натрия (ДСН) При использовании этого метода мембраны сначала солюбилизируют !%-ным раст.вором ДСН.
Этот детергент разрушает большинство белок-белковых и белок-липцпных связей. Далее полученный раствор наслаивают на полиакриламидный гель, также содержащий ДСН, и все это помещают на несколько часов в электрическое пале. В этой системе в отличие от других, не содержащих ДСН, электрофоретическая подвижность большинства белков зависит от их массы, а не от заряда.
Дело в том, что отрицательный заряд молекул ДСН, присоединенных к белку, намного превышает общий заряд самого белка. Полосы разделившихся белковых фракций проявляют, обрабатывая гель краской типа кумассн си- трнлтофан Индоп Мочеаина Глицероп н,о с~ Глюкоза 10-" 10 'з 10-'о 10 а 10-' 10 " 10-з Коэффициент проницаемости, омlс Увеличение проницаемости $~В Рнс.
10.15. Коэффициенты проницаемости липидных двуслойных мембран для некоторых ионов и молекул. ний. При этом выявляются крайне малые количества белка-порядка нескольких микрограммов. На рис. 10Л6 показаны результаты гель-электрофореза трех мембран— плазматической мембраны эрнтропитов, фоторецепторной мембраны палочек сетчатки и мембраны саркоплазматического ретикулума мышцы. Отчетливо видно, что белковый состав этих трех мембран совершенно разнзый. Кроме того, мембраны различаются по набору входящих в их состав полипептидных цепей н по распределению массы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
