Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Ліпідні пори: стабільність і проникність мембран

Бімолекулярний шар фосфоліпідів складає основу будь-якої клітинної мембрани. Безперервність його визначає бар'єрні і механічні властивості клітки. У процесі життєдіяльності безперервність бішару може порушуватися з утворенням структурних дефектів типу наскрізних гідрофільних пір. Цілком природно очікувати при цьому зміни усіх функцій клітинної мембрани, включаючи проникність і стабільність. Раніше ці проблеми обговорювалися роздільно, однак створення моделі ліпідної пори дозволяє розглянути них з єдиних позицій. Важливий той факт, що ліпідні пори, крім проникності, виявилися причетними до стресових впливів зовнішніх сил на рівні клітинних мембран.

Фосфоліпіди, що складають основу клітинних мембран, відносяться до рідких кристалів. Як у будь-якому реальному кристалі, у плівці з фосфоліпідів можуть бути дефекти, у місці яких і розвиваються основні події структурних перебудов. Види дефектів різноманітні, але і найбільш природним для бішару є дефект типу наскрізної гідрофільної пори. Ці пори і будуть предметом подальшого розгляду (мал. 2.13).

Ліпідні пори і стабільність мембран. Очевидна зовнішня подібність будь-якої кулястої клітки з мильним міхуром, виявляється насправді більш глибоким. У тім і іншому випадку мова йде про важливу роль прикордонної бімолекулярної ліпідної плівки, властивості якої визначають стабільність і проникність часток.

Розходження полягає лише в тім, що мильна плівка утвориться на границі роздягнула з повітрям, а ліпідний бішар - у воді. Не дивно тому, що часто ліпідні везикули -ліпосоми - широко використовуються з метою моделювання мембранних властивостей живої клітки. В даний час з'ясовано, що механічна міцність живої клітки поряд з ліпідним бішаром забезпечується системою білкових мікротрубочок і мережею мембранних білків. Однак це не применшує ролі самих ліпідних пір і зв'язаного з ними механізму дестабілізації мембран, особливо в тих випадках, коли система мікротрубочок відсутній або не розвита.

Відома нестабільність мильної бульбашки, причиною якої може стати будь-яка порошина. Початком дестабілізації є прокол стінки й утворення пори. У ліпідній бімолекулярній плівці клітинної мембрани пори з'являються, якщо виключити чисто механічні ушкодження, у результаті теплові флуктуації поверхні бішару, електричного пробою, заморожування плівки, дії поверхнево-активних речовин, осмотичного тиску, перекісного окислювання ліпідів і ін. Один з найбільш типових і добре вивчених прикладів дестабілізації біологічних мембран - гемоліз еритроцитів. Це явище включає на початковому етапі набрякання кліток у гіпотонічному середовищі в результаті дії сил осмотичного тиску. Під час набрякання клітки мембрана розтягується, що обумовлює ріст мембранного натягу. При визначеному граничному рівні натягу з'являються гідрофільні ліпідні пори. Розміри пір достатні для виходу молекул гемоглобіну і низькомолекулярних речовин. Вихід речовин супроводжується у свою чергу зниженням різниці осмотичного тиску, при цьому натяг мембрани зменшуються і пори заліковуються. Білки цитоскелету дозволяють еритроцитові зберегти форму, при цьому утвориться так називана тінь еритроцита. Тінь зберігає осмотичну активність і в такий спосіб процес дестабілізації здобуває циклічний характер. Повного механічного руйнування клітки подібного до мильного міхура в цьому випадку не відбувається. Під час відсутності цитоскелету або його недостатнього розвитку механічна міцність клітки цілком визначається долею ліпідних пір. Якщо пора має розмір менше критичного, то вона заліковується. У противному випадку необмежений ріст пори приводить до руйнування мембрани.

Модель критичної пори. Розглянемо модель ліпідної пори (мал. 2.14). Будемо вважати, що бічна поверхня пори має форму кругового циліндра. Більш того, припустимо, що бічна поверхня циліндра вигнута і має радіус кривизни h/2. Радіус пори дорівнює r. Як видно на мал. 2.14, ліпідний бішар у цілому є плоским, а пора має два радіуси кривизни h/2 і r. З фізики відомо, що скривлення поверхні на границі роздягнула ліпід-вода супроводжується появою додаткового тиску, називаного лапласовим і рівного

де σ¹ - міжфазний натяг усередині пори, r - радіус кривизни.

У розглянутій моделі таких радіусів два (h/2 і r) і, отже, два тиски. Одне з них ? (h/2) сприяє розширенню, а інше ? (r) - стискові пори. Подальша доля пори залежить від співвідношення цих двох тисків. Якщо ? (h/2) > ? (r), пора буде розширюватися, а якщо ? (h/2) менше ? (r), те пора буде затікати.

Розглянемо енергетикові пори. Як установлено вище, на границі пори діють дві протилежні сили, одна з яких - крайовий лінійний натяг периметра пори - сприяє росту пори, а друга сила - поверхневий натяг бішару - викликає стиск пори. Крайова енергія пори пропорційна першого ступеня радіуса і збільшує сумарну енергію, енергія поверхневого натягу пропорційна квадратові радіуса і знижує сумарну енергію. У результаті сумарна енергія Ε (r) дорівнює

Ε(r) = 2πr²σ,

де перший член визначається енергією крайки пори з лінійним натягом γ, а другий - енергією поверхневого натягу σ. Вид кривої на мал. 2.15 указує на існування хиткої рівноваги в крапці максимуму з критичними значеннями енергії (Е*) і радіуса (r*).

У крапці рівноваги і рівняння перетворюється в тотожність:

0 = 2πγ – 2πσr*,

відкіля можна визначити критичний радіус пори r*

(2.11)

Висота енергетичного бар'єра після підстановки r* у рівняння (2.10) буде дорівнює

З урахуванням нестійкості рівноваги можна затверджувати, що поява пір з r > r* пора буде затікати і стабільність мембрани збережеться. Такий кількісний критерій стабільності ліпідної мембрани.

Електричний пробій мембран. Біологічні мембрани знаходяться під дією електричного поля великої напруженості, створюваного дифузією іонів через мембрану і електрогеними іонними насосами. Оскільки різниця потенціалів між цитоплазмою і позаклітинним середовищем досягає порядку
0,1 В, а товщина мембрани не перевищує 10 нм, те напруженість полючи дорівнює
10⁷ В/м. Цікаво, що мембрана є більш зробленим електричним ізолятором, чим багато рідких ізоляторів, застосовувані в техніку.

У деяких випадках мембранний потенціал у живій клітці може бути вище і досягати 0,2 В (прісноводні водорості, бактерії, енергозовані мітохондрії). У збудливих нервових і м'язових клітках відбувається короткочасна реполяризація мембрани з ростом амплітуди потенціалу. Однак пробій клітинної мембрани власним мембранним потенціалом малоймовірний. У той же час ріст мембранного потенціалу в результаті впливу зовнішнім електричним полем може досягати величини, що перевищує граничну для електричного пробою. При цьому з'являються структурні дефекти типу наскрізних ліпідних пір. Розроблена методика електричного пробою клітинних мембран одержала назву електропорації і широко застосовується в біотехнології.

У фізику під електричним пробоєм розуміють різке збільшення сили електричного струму в слабопровідному середовищі. У живій клітці таким середовищем служить бімолекулярний шар ліпіду. Як було показано Ю.А.Чізмаджевим і співробітниками, формула повинна бути в цьому випадку змінена шляхом уведення додаткового члена, що відбиває внесок електричного поля:

(2.13)

де , ε_у - діелектрична проникність води; ε_M - діелектрична проникність мембрани; φ - мембранний потенціал; З₀ - ємність одиниці площі мембрани, що не містить дефектів.

Залежність енергії пори від її радіуса для цього випадку приведена на мал. 2.15. Показане сімейство кривих, отриманих по рівнянню (2.10) для різних значень мембранного потенціалу. Чим більше мембранний потенціал, тим менше значення енергії пори і тем більше зміщається максимум кривої до початку координат. Аналіз кривих показує, що зі збільшенням радіуса енергія пори повинна рости, оскільки збільшується периметр пори, і одночасно енергія повинна зменшується пропорційно росту поверхневого натягу мембрани і мембранного потенціалу. У результаті (див. мал. 2.15), з'являється крива з максимумом, що дозволяє кількісно оцінити критичні параметри мембрани – критичний радіус пори і висоту енергетичного бар'єра по формулах, приведеним вище. Висота енергетичного бар'єра з обліком полючи дорівнює:

(ср. с формулою 2.12, 2.14).

Можна бачити, що з ростом мембранного потенціалу і поверхневого натягу висота бар'єра знижується.

Критичний радіус пори може бути розрахований по формулі:

(ср. с формулою 2.11, 2.15).

Його величина також зменшується з ростом ? і ?. З формули випливає, що залежність критичної пори від мембранного потенціалу стає помітної лише при значному перевищенні електричної складової над величиною поверхневого натягу. Розрахунки показують, що для ліпідного бішару в рідкокристалічному стані величина мембранного потенціалу не може бути менше 0,23 В.

Стабільність бішарових мембран визначається імовірністю появи пір критичного радіуса. Очевидно, що будь-який фактор, що знижує висоту енергетичного бар'єра, буде збільшувати цю імовірність. До таких факторів варто віднести зниження крайової енергії пори ?, ріст поверхневого натягу і ріст мембранного потенціалу. Як видно на мал. 2.14, ріст пробійної напруги до 1 В супроводжується зсувом критичного радіуса до значень меншим 0,5 нм, що близько радіусам природних іонних каналів клітинної мембрани. Звідси випливає, що електричний пробій супроводжується появою широкого спектра ліпідних пір різного радіуса, включаючи радіуси іоноселективних білкових каналів. В даний час метод впливу зовнішнім електричним полем є одним з основних у сучасній біотехнології. Відомо його застосування з метою збільшення пористості мембран (електропорація), уведення ДНК (електротрансфекція), звільнення кліток від великих молекул (електропермеабілізація), злиття кліток (електрозлиття).

Температурний фазовий перехід мембранних ліпідів. Заморожування ліпідного бішару в результаті фазового переходу з рідкокристалічного стану в гель супроводжується появою ліпідних пір. Очевидно, що як і у випадку з електричним пробоєм, судьбу мембрани буде визначати співвідношення радіусів пір, що утворилися, і критичних пір для даного стану бішару.

Величини ТФП були визначені методом диференціальної скануючої калориметрії. Досвіди проводили на плоских бішарових ліпідних мембранах (БЛМ) в умовах фіксації напруги. БЛМ формувались з динасичених синтетичних і природних фосфоліпідів, що мають температуру фазового переходу зазначеного типу в області 40-60 °С. Реєструвалися флуктуації струму, поява яких указувало на народження пір (мал. 2.16). На мал. 2.16 видно, що вихідні флуктуації струму відсутні і реєструється тільки шум. Досягнення температури, що відповідає температурі основного фазового переходу (ТФП) ліпіду, супроводжується появою окремі флуктуації струму тривалістю (1 с. Ліворуч на малюнку представлені реалізації флуктуації струму, праворуч - відповідні гістограмми розподілу по електричній провідності. На малюнку показані характерні записи флуктуації струму для чотирьох індивідуальних фосфоліпідів з різними температурами фазового переходу. Зіставлення реалізацій струму і гістограм показує їхня однотипність для вивчених фосфоліпідів. Припускаючи, що кожен стрибок струму відповідає одиночній порі у відкритому стані, можна по провідності розрахувати радіус пори.

Фазовий перехід у БЛМ здійснювався при малих мембранних потенціалах порядку 0,05В. Як видно на мал. 2.15, при таких напругах внеском електричного поля в дестабілізацію мембран можна зневажити. Відповідно до формули (2.11) єдиною причиною зменшення критичного радіуса пори могло стать або зменшення в результаті фазового переходу γ або збільшення σ. Вважається, що γ є величиною, що мало залежить від фазового переходу. Мова в такий спосіб може йти тільки про визначення величини поверхневого натягу бішару для двох фазових станів. Виявилося, що заморожування бішару приводить до росту поверхневого натягу для усіх вивчених ліпідів. Для гідрованого яєчного лецитину σ зростало від 1,1 × 10³ до 5,6 × 10³ Н/м. З обліком цього по формулі (2.10) була розрахована залежність енергії пори від її радіуса в рідкій і твердій мембрані (мал. 2.17).

Як випливає з мал. 2.17, критичний радіус пори в гель-стані значно менше в порівнянні з рідкокристалічним станом і по абсолютній величині не перевищує 2 нм. Збереження тривалої стійкості ліпідного бішару в гель-стані свідчить про те, що існуючі пори і пори, що виникають при фазовому переході, мають раз міри менше 2 нм. Порівняння мал. 2.15 і 2.17 демонструє високу ефективність методу температурної обробки бішарових ліпідних мембран з метою одержання популяції ліпідних пір, порівняно з електричним пробоєм. Дійсно, заморожування мембранних ліпідів у ході фазового переходу, що для багатьох динасичених ліпідів відбувається при кімнатній температурі, еквівалентно електричному пробоєві мембрани зовнішнім електричним полем напругою 0,5 В. У той же час очевидно, що електричні впливи більш зручні з погляду калібрування сили впливу і його тривалості.

Узагальнюючи приведені дані, можна затверджувати, що будь-який вплив механічної, фізичної або хімічної природи, що торкає поверхневий натяг ліпідного бішару, є чинником ризику в стабілізації поровмісних мембран. Розвиток такого підходу дозволяє одержати кількісна відповідь на важливий для біології про імовірності руйнування або заліковування мембран при типових стресових станах живої клітки.

На мал. 2.17 показано, що критичний радіус пір у мембранах, що знаходяться в рідкокристалічному стані при відсутності зовнішніх впливів, досягає 9 нм. Ця величина настільки значна, що імовірність механічного розриву клітинних мембран у фізіологічних умовах дуже мала. Розрив мембрани, що знаходиться в такому стані, можлива лише тоді, коли пора здобуває розміри, порівнянні з товщиною мембрани. Досвід показує, що повне руйнування ліпідного бішару можливе лише при грубих механічних маніпуляціях або необоротному електричному пробої.

Важливий практичний висновок полягає в тому, що спираючи на дані про критичні радіуси пір (мал. 2.15 і 2.17), можна пророчити долю клітинних мембран у різних стресових станах (табл. 2.2).

Перший висновок, якому можна зробити, полягає в тім, що реальні пори у всіх випадках менше критичного розміру пір, характерного для рідкокристалічного стану мембранних ліпідів. Дійсно, розміри критичних пір для ліпідного бішару в рідкокристалічному стані (9нм) значно перевищують розміри реальних пір, зазначені в лівому стовпці. Таким чином, мембрани в різних стресових станах мають значний запас міцності. По-друге, дія електричного пробою і заморожування бішару, як видно в останньому рядку, адитивно. Такий результат очікується, отже, і при інших сполученнях фізичних і хімічних впливів. Стресовий вплив таким чином, незалежно від його фізико-хімічної природи, може бути кількісно оцінений і його результат передвіщений у рамках розглянутої моделі. Третій висновок стосується частки випадку гемолізу еритроцитів. Раніше було показано що критичний радіус пори в ліпідному бішарі при температурному фазовому переході (див. мал. 2.17) досягає 2 нм, що збігається з радіусом пір еритроцита при осмотичному гемолізі. Цей результат може пояснити відомий у криобіології факт гемолізу еритроцитів при відтаванні заморожених кліток у ізотонічних умовах. З першого рядка табл. 2.2, крім того, випливає, що простої заморожування мембранних ліпідів може привести до гемолізу. Крім криобіології, фазовий перехід мембранних ліпідів відіграє важливу роль у холодостійкості рослин.

Таблиця 2.2. Розміри ліпідних пір у модельних і клітинних мембранах порівняно з критичними порами, розрахованими по рівняннях (2.11) і (2.15)

Радіус пори (r), нм	Об'єкт	Співвідношення радіусів пір	Стресовий стан
3,0 – 4,0	Еритроцит		Електричний пробій
2,0	Теж		Осмотичний гемоліз
1,2	L-клітки		Електричний пробій
0,2 – 2,0	Ліпосоми		Осмотичний лізис
0,6 – 0,8	Те ж		Фазовий перехід
0,5 – 2,0	Те ж		Те ж
1,2 – 1,8	БЛМ		Фазовий перехід

r* - критичний радіус пори в рідкокристалічному стані мембранних ліпідів (ркс), стан^-станові-стану-багатстві-майні-становищі-гель-стані (гель), при електричному пробої (еп), при сполученні багатства-майна-становища-гель-стану з електричним пробоєм (гель+еп).

Модель формування пір при фазовому переході. Незалежна оцінка розміру пір може бути отримана шляхом дослідження запропонованої В.Ф. Антоновим і співробітниками моделі формування пір. При фазовому переході з рідкокристалічного стану в гель за даними рентгеноструктурного аналізу, відбувається зміна товщини бішару і площі на молекулу ліпіду (див. мал. 1.10). З огляду на кооперативність фазового переходу, можна припустити, що молекули в доменах, що перейшли в гель-фазу, і залишаються в рідкокристалічному стані, будуть знаходитися в різних умовах. Щодо рівноважного стану молекули в домені гель-фази будуть розтягнуті, а в рідкокристалічному стані - стиснуті. З'явиться пружне напруження, що приведе до порушення структури бішару.

Для кількісної оцінки виникаючих пір будемо вважати, що в гель-фазу перейшло N молекул одного моношару. У результаті N молекул протилежного моношару виявляться стиснутими щодо своєї рівноважної площі Na^f, де а^f - площа на молекулу в рідкокристалічному стані, і будуть прагнути розірвати протилежний моношар.

Пружна енергія деформованої ділянки бішару задається відповідно до формули Юнга:

де, Dа = a^f – а^s – зміна ефективної площі молекул у площині бішару при фазовому переході, Г - коефіцієнт пружності, рівний приблизно 50 мН/м.

Напруги, що виникають у мембрані, можуть зменшиться або зникнути, якщо з'явиться гідрофобна пора з наступним перетворенням у гідрофільну пору. При утворенні пори з'являється енергія натягу крайки пори. Загальна зміна енергії бішару при утворенні пори радіуса r буде дорівнює:

(2.17)

тут – ? – лінійний натяг крайки пори, параметр, уведений Дерягіним. У розрахунках ? приймається рівної 10 нн.

Розглянемо зміну енергії мембрани від радіуса пори. Будемо вважати число молекул, що одночасно переходять у твердий стан, рівним розмірові кооперативної одиниці N. Величина кооперативної одиниці може бути визначена зі співвідношення:

N = DH_BГ/DН_T, (2.18)

де DН_BГ - ентальпія Вант-Гоффа, DН_T - ентальпія переходу, обумовлена по теплоті поглинання. Температуру фазового переходу Т_п, напівширину переходу ΔΤ і ентальпію DН_Т визначали калориметрично. Значення кооперативної одиниці для деяких ліпідів представлені в таблиці 2.3.

Таблиця 2.3. Характеристики фазового переходу синтетичних і природних ліпідів

Ліпід	Т_h, °C	DН_Т, кДж/моль	N молекул
ДПФХ	41,7	35,3
ДПФК, рН 6,5		23,9
Гідрований яєчний лецитин		18,7

Залежність енергії пори від радіуса представлена на мал. 2.18. Ліворуч представлена ця залежність при зміні N від 80 до 190 молекул. Зміна площі на голівку при фазовому переході, рівне 0,1 нм², оцінено за даними рентгеноструктурного аналізу для лецитину. Видно, що зміна енергії, розрахована по рівнянню 2.17, має мінімум. Це означає, що поява пори енергетично вигідно. З ростом N значення радіуса в крапці мінімуму росте. Праворуч на мал. 2.18 приведена залежність енергії пори від радіуса для мембран з постійним N = 70 і мінливої Dа. Якщо Dа менше 0,08 нм², то крива монотонно зростає. Починаючи зі значення Dа ³ 0,09 нм² на кривій з'являється локальний мінімум, тобто поява пори стає вигідним. З ростом Dа, також, як і з ростом Ν, значення радіуса пори в крапці мінімуму зростають. Таким чином, поява пори в мембрані в області фазового переходу енергетично вигідно. Для досліджених ліпідів мінімум відповідає порам з радіусом 1,2 – 1,6 нм. Ці значення задовільно збігаються з експериментально визначеними (див. табл. 2.2).

Ліпідні пори і проникність мембран. З погляду проникності ліпідні пори принципово відрізняються від білкових каналів своїм походженням і винятковою динамічністю. У той час як білкові канали мають строго визначені розміри, що зберігаються протягом усього клітки життя, розміри ліпідних пір у процесі затікання варіюють у широких межах. Однак ця мінливість має межу. Якщо радіус пори менше критичного, то пора в процесі затікання повинна пройти всі проміжні радіуси і досягти мінімального розміру. Питання про можливості повного затікання ліпідних пір залишається відкритим. Передбачається, що повному затягуванню пори перешкоджають могутні сили гідратації, що виявляються при зближенні: стінок гідрофільних пір.

Ліпідні пори на відміну від білкових іонних каналів не мають виражену вибірковість, що корелює з їх порівняно великими вихідними розмірами (див. табл. 2.2). Ясно, однак, що в процесі затікання ліпідні пори можуть досягати як завгодно малих розмірів, у тому числі порівнянних з розмірами білкових іонних каналів, що може приводити до перерозподілу іонних струмів у мембрані, наприклад, при порушенні. Відомо далі, що після вимикання стресового впливу бішару ліпідна мембрана може повернутися в стан з низькою провідністю, що має на увазі досягнення порами розміру, недостатнього для проходження гідратованих іонів. Таким чином, гідрофільні ліпідні пори універсальні в тім відношенні, що можуть бути використані кліткою для транспорту високомолекулярних речовин, іонів і молекул води.

Дослідження проникності ліпідних пір розвиваються в даний час у двох напрямках: у першому досліджуються максимально великі пори, у другому, навпаки, - ліпідні пори мінімального радіуса. У першому випадку мова йде про електро-трансфекції - спосіб введення в живі клітки або ліпосоми молекул ДНК із метою переносу і внутрішньоклітинного введення чужорідного генетичного матеріалу. Виявилося, що зовнішнє електричне поле високої напруженості сприяє проникненню гігантської молекули ДНК усередину мембранної частки. Як видно з табл. 2.2, максимальний розмір критичної пори відповідає рідкокристалічному стану бішару ліпідів під час відсутності зовнішнього електричного поля і дорівнює 9 нм. Накладення зовнішнього електричного поля напруженістю 100 кв/м знижує критичний радіус пори до 1 нм за час 0,2 с. Оскільки при цьому мембрани зберігаються, те розмір ліпідних пір у них не перевищує, мабуть, цього нижньої межі. Парадокс полягає в тому, що ефективний діаметр статистичного клубка ДНК, що повинна потрапити усередину частки, досягає 2000 нм. Воістину задача про верблюда, що проникає крізь голкове вушко. Тому очевидно, що молекула ДНК повинна проникати через мембрану у виді розплетеної одиночної нитки. Відомо, що кінець нитки має діаметр 2 нм і в такий спосіб тільки може ввійти в пору. Однак вільна дифузія нитки ДНК у порі при цьому навряд чи можлива. На жаль, механізм цього явища до кінця не ясний. Передбачається, зокрема, що молекула ДНК здатна розширити пору й у такий спосіб прослизнути через мембрану. Проникненню ДНК можуть сприяти додаткові сили електрофорезу і електроосмосу з обліком сумарного негативного заряду молекули ДНК. Не виключено, що пори з фіксованими в них кінцями молекули ДНК відіграють роль якоря, що утримує молекулу у визначеному місці в поверхні мембрани везикули, а сам процес переносу є різновидом піноцитозу. Дослідження цього цікавого з погляду проникності явища продовжується.

Другий напрямок дослідження проникності мембран за участю ліпідних пір зв'язано з трансмембранним переносом молекул і іонів води. Відоме в біології явище високої водної проникності клітинних мембран цілком відтворюється на штучних ліпідних бішарах, що має на увазі участь у цьому процесі гідрофільних ліпідних пір. Великий інтерес у цьому зв'язку представляють результати досвідів Еламрані і Блума із суспензією ліпосом з фосфатною кислотою в температурній області фазового переходу ліпіду з рідкокристалічного стану в гель. Проникність бішару для молекул води вимірювали в досвідах з важкою водою, проникність для іонів води - методом рн-скачку. Основні результати представлені в табл. 2.4.

Перше, що можна відзначити, це величезне розходження між коефіцієнтом проникності ліпідного бішару для гідратованих іонів (іон натрію) і молекул (іонів) води. Це розходження досягає 9 порядків. Настільки значне розходження свідчить на користь припущення про те, що в процесі затікання ліпідні пори можуть досягати розміру, недостатнього для проходження гідратованих іонів, але доступного для проходження більш дрібних часток - молекул і іонів води. Крім того, фазовий перехід мембранних ліпідів у гель-стан супроводжується стрибкоподібним зменшенням коефіцієнта проникності для іонів і молекул води. Звідси випливає, що в ході фазового переходу з безлічі ліпідних пір відбираються ті, радіус яких не перевищує 2 нм. І нарешті, звертає увагу кількісний збіг коефіцієнтів проникності бішару мембрани для молекул і іонів води, а також їхня однакова динаміка при фазовому переході. Природно припустити, що молекули й іони води перетинають мембрану тим самим шляхом. Цей результат дозволяє деяким ученим повернутися до відомої гіпотези про те, що ліпідний бішар насичений дефектами типу трансмембранних ланцюжків молекул структурованої води. З погляду молекулярної організації структура молекул води в цьому випадку ідентична структурі льоду. Молекули води зв'язані між собою водневими зв'язками. Передбачається, що протони можуть пересуватися по системі межмолекулярних водневих зв'язків. Можна запропонувати, що такі льдоподібні ланцюжки води виникають у ліпідному бішарі в момент народження або затікання ліпідних пір.

На користь можливості протонної провідності на границі роздягнула водної фази з полярною частиною фосфоліпідного бішару свідчать дані про латеральну протонну провідність на границі ліпідного бішару з водою. Уздовж моношару з фосфатдилетаноламіну створювався градієнт рН і вимірялася подовжня швидкість переносу протона шляхом реєстрації флюоресценції міченого в полярній голівці фосфоліпіду. Одночасно робили виміру поверхневого потенціалу і поверхневого тиску. Показано, що протон рухається уздовж моношару ліпіду в тому випадку, якщо цей моношар організований і упорядкований. Швидкість переносу значно перевищувала швидкість дифузії протонів у воді. Ефект був виявлений у моношар з більшості природних фосфоліпідів. Повна дегідратація фосфоліпідів у полярній області приводила до втрати протонної провідності. Автори припускають, що молекули води на границі роздягнула ліпід-розчин утворять чотири шари: об'ємний шар розчину, шар гідратної води, молекули води в якому безпосередньо взаємодіють з полярними групами молекули ліпіду; шар молекул води, зв'язаний водневим зв'язком з молекулами ліпіду на рівні карбонільної групи, і, нарешті, трансмембранні водні містки. У цілому на поверхні ліпідного бішару утвориться мережа водневих зв'язків, що забезпечують швидкий перенос протонів. Передбачається при цьому, що протони, що пересуваються в системі водневих зв'язків на поверхні бішару, не змішуються з протонами об'ємного шару води. Таким чином, можливий мембранний обмін протонами між протонними каналами і протонними насосами, минаючи розчин електроліту, що омиває мембрану. Крім того, молекули ліпіду в крайці ліпідної пори здатні, як показано останнім часом, брати участь у швидкому фліп-флоп обміні. У сполученні з латеральною міграцією протонів, цей механізм також сприяє ефективному трансмембранному переносові протонів.

Основний висновок полягає в тому, що стабільність ліпідного бішару і клітинної мембрани, позбавленої білкового каркаса, визначається ліпідними порами. Ці пори утворяться в місцях дефектів рідкокристалічної структури ліпідного бішару. Ліпідні пори виникають у результаті теплові флуктуації поверхні бішару, а також можуть народжуватися при мембранному стресі, що супроводжує фазовий перехід мембранних ліпідів, при електричному пробої й осмотичному лізисі. Доля мембрани в цих випадках буде залежати ймовірнісно від того, чи буде ліпідна настав час перевищувати деякий критичний чи розмір ні. У першому випадку мембрана порветься, у другому випадку її структура збережеться. При збереженні стабільності мембран пори заліковуються, пробігаючи при цьому всі проміжні значення радіусів. Мінімальні радіуси ліпідних пір можуть стати порівнянними з розмірами виборчих білкових каналів, що регулюють у нормі іонну проникність клітинних мембран. На останніх етапах затікання ліпідні пори можуть перетворюватися у водні пори, доступні тільки для молекул і іонів води.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Електрогенні іонні насоси	\|	БІОЕЛЕКТРИЧНІ ПОТЕНЦІАЛИ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.007 сек.