Клеточная мембрана и основы процесса самосборки в биологических системах

Биологические мембраны

Первичный контакт наноструктур с любым живым объектом начинается с взаимодействия с его поверхностью, в роли которой выступают биологические мембраны клеток. Именно особенности этого первичного контакта и будут определяющими для дальнейшего развития событий по взаимодействию с наноструктурными компонентами.

Биологические мембраны - это барьеры, которые отделяют клетки от внешней среды и разделяют различные органеллы и отделы внутри клетки (компартменты). Биологические мембраны возникли в момент отделения первичного «организма» от окружающей среды и именно с ними связана возможность существования живого. Обеспечивая, с одной стороны, барьерную функцию, биомембрана обеспечивает процессы транспорта веществ и энергии, формируя градиенты химических, электрических, электрохимических и тепловых величин. Именно процессы и явления в организме, протекающие с участием биологических мембран являются определяющими в развитии разделов современной биотехнологии - от промышленной и экологической до фармацевтической и молекулярной, и в том числе нанобиотехнологии.

Строение и функции биологических мембран. За более чем столетний период изучения клеточных мембран были предложены многочисленные теории их строения. Наиболее известны модели сэндвича («бутербродная» модель), согласно которой на поверхности фосфолипидного бислоя в мембранах располагаются белки, и предложенная в 1972 году С. Д. Сингером и Г. Л. Николсоном жидкостно-мозаичная модель. Данная теория является сейчас основной и предполагает, что белки в мембране не образуют сплошной слой на поверхности, а делятся на интегральные, полу-интегральные и периферические, по степени проникновения в мембрану.

Согласно современным представлениям, все клеточные и внутриклеточные мембраны устроены сходным образом: основу мембраны составляет двойной молекулярный слой липидов (липидный бислой) на котором и в толще которого находятся белки (рис. 4.1).

Общая схема строения биологических мембран

Рис. 4.1. Общая схема строения биологических мембран

Состав липидов мембран представлен преимущественно фосфолипидами, сфингомиелинами и холестерином. Основные фосфолипиды мембран - это фосфатидилхолин (лецитин), фос-фатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозит и кардиолипин.

Липидные бислои образуются амфифильными молекулами фосфолипидов и сфингомиелина в водной фазе. Амфифильными эти молекулы называют потому, что они состоят из двух частей, различных по своей растворимости в воде: полярной «головки», обладающей высоким сродством к воде, т. е. гидрофильной, и «хвоста» образуемого неполярными углеводородными цепями жирных кислот; эта часть молекулы обладает низким сродством к воде, т. е. гидрофобна (рис. 4.2).

Полярная "головка"

Рис. 4.2. Молекула фосфатидил-этаноламина

С химической точки зрения фосфолипид состоит из четырёх частей: глицерина, двух жирных кислот с длинной углеводородной цепью, фосфорной кислоты и особой для каждого фосфолипида группы, которую мы будем называть характеристической группой.

Фосфолипиды различаются как составом жирных кислот, так и структурой характеристической группы. В фосфатидилэтанола-мине такой группой является остаток этаноламина. В других фосфолипидах такой группой может быть остаток холина, серина и другие полярные молекулы.

В состав липидного слоя мембран входят также холестерин и сфингомиелины; последние близки к фосфолипидам по химическому строению и физическим свойствами.

Содержание белков в мембранах колеблется от 20 до 70 % массы, что определяется типом мембраны. В случае внутриклеточных мембран, содержащих переносчики электронов (митохондриальные мембраны) это соотношение меняется в пользу белкового компонента. Так, в клеточных мембранах эритроцитов человека соотношение белки: липиды составляет 49:44, в клетках печени -60:40, а во внутренней мембране митохондрий содержание белковых молекул 78:22.

Белки мембран принято делить на интегральные и периферические. Интегральные белки имеют обширные гидрофобные участки на поверхности и нерастворимы в воде. С липидами мембран они связаны гидрофобными взаимодействиями и частично погружены в толщу липидного бислоя, а зачастую и пронизываютбислой, оставляя на поверхности сравнительно небольшие гидрофильные участки. Отделить эти белки от мембраны удается только с помощью детергентов, типа додецилсульфата или солей желчных кислот, которые разрушают липидный слой и переводят белок в растворимую форму (солюбилизируют его) образуя с ним ассоциаты. Все дальнейшие операции по очистке интегральных белков осуществляются также в присутствии детергентов.

Периферические белки связаны с поверхностью липидного бислоя электростатическими силами и могут быть отмыты от мембраны солевыми растворами.

Согласно рентгеноструктурному анализу, молекулы фосфолипидов имеют форму сплюснутого с боков цилиндра, а по длине как бы делятся на две неравные части: небольшую «голову», состоящую из полярных групп, и длинный «хвост», образованный углеводородными цепями жирных кислот, входящих в состав фосфолипида (рис. 4.3.)

Fatty acids

Choline Glycerol

Hydrocarbon chains

Структура фосфолипида

Рис. 4.3. Структура фосфолипида

Данная структурная организация позволяет фосфолипидным молекулам самособираться в бислойную мембрану при попадании в водные растворы. В мембране «жирные хвосты» упрятаны внутрь, а снаружи в контакте с водным окружением оказываются полярные «головы» этих молекул. В водном растворе происходит самосборка мембран (справа) и замыкание мембран с образованием липидных пузырьков, называемых липосомами (слева) (рис. 4.4).

Самосборка фосфолипидных молекул в липидные везикулы в водном растворе

Рис. 4.4. Самосборка фосфолипидных молекул в липидные везикулы в водном растворе

Основной функцией биомембран является отделение содержимого клетки от окружающей среды и разделение внутреннего объема на отсеки (компартменты.), т. е. барьерная функция.

Во всех живых клетках биологические мембраны выполняют функцию барьера, отделяющего клетку от окружающей среды, и разделяющего внутренний объем клетки на сравнительно изолированные «отсеки». Мембрана имеет отрицательный заряд, поэтому положительно заряженные лиганды быстрее вступают в контакт с поверхностью клеток и, соответственно, с большей эффективностью поглощаются клетками, чем отрицательно заряженные, т. е. она практически непроницаема для ионов и полярных молекул, растворимых в воде. Их перемещение осуществляется за счет многочисленных белковых молекул и молекулярных комплексов, осуществляющих функцию переноса. Белковые молекулы могут обладать свойствами селективных (т. е. избирательных) каналов для ионов и молекул, а могут выступать в роли насосов, способных активно перекачивать ионы через мембрану. За счет барьерных свойств мембран и работы мембранных насосов формируется градиент, т. е. неравновесное распределение ионов между клеткой и внеклеточной средой, что лежит в основе процессов внутриклеточной регуляции и передачи сигналов в форме электрического импульса между клетками.

Так же мембрана выполняет функцию «монтажной платы», или матрицы, на которой располагаются в определенном порядке белки и белковые ансамбли, образующие системы переноса электронов, запасания энергии в форме АТФ, регуляции внутриклеточных процессов гормонами, поступающими извне и внутриклеточными медиаторами, узнавания других клеток и чужеродных белков, рецепции света и механических воздействий и пр.

Выделяют и механическую функцию мембраны, позволяющую сохранить клетку целой при умеренных механических нагрузках и нарушениях осмотического равновесия между клеткой и окружающей средой.

Модельные мембраны. Для изучения физических свойств липидного слоя мембран и особенностей транспорта наноструктурных компонентов осуществляется преимущественно на двух видах искусственных мембранных структур, образованных синтетическими фосфолипидами или липидами, выделенными из биологических источников: липосомах и бислойных липидных мембранах.

Липосомы представляют собой липидные везикулы (пузырьки), способные образовываться фосфолипидов в водных растворах. Гидрофобная часть липидных молекул обращена внутрь пузырьков, гидрофильная - наружу.

В зависимости от размера частиц и числа образующих их липидных слоев различают следующие виды липосом: i) малые мо-ноламеллярные, образованные одиночным липидным бислоем (диаметр 20-50 нм); 2) крупные моноламеллярные (макровезику-лярные), образованные также одиночным бислоем (диаметр 50-2оо нм и выше); 3) многослойные (мультиламеллярные), насчитывающие до нескольких десятков и даже сотен липидных бислоев (диаметр до 5000-10000 нм). Липосомы могут быть однослойными (диаметр 20-50 нм) и многослойными (-50 микрометров) (рис. 4.5).

Однослойные и многослойные липосомы. Заштрихованные зоны - место нахождения воды, светлые - бимолекулярный липидный слой, «хвосты» составляющих его молекул обращены внутрь слоя

Рис. 4.5. Однослойные и многослойные липосомы. Заштрихованные зоны - место нахождения воды, светлые - бимолекулярный липидный слой, «хвосты» составляющих его молекул обращены внутрь слоя

Липосомы образуются путем самопроизвольной сборки фосфолипидов в воде. Методами синтеза липосом являются экструзия, обогащенно-фазовое упаривание, и реакции с участием детергентов.

Для получения липосом спиртовый раствор фосфолипидов впрыскивают в большой объем водного раствора. Фосфолипиды, не растворимые в воде, образуют мелкие пузырьки, стенки которых состоят из одного липидного бислоя (однослойные липосомы). Суспензию липосом обычно используют для изучения физических свойств липидного бислоя как вязкость, поверхностный заряд или диэлектрическая проницаемость, а также для изучения проницаемости для незаряженных молекул.

Липосомы нетоксичны для организма, подвергаются легкой биодеградации, при определенных условиях сливаются с клеточными мембранами, что приводит к ускорению доставки их содержимого (нуклеиновая кислота, белок, лекарственное вещество и др.) внутрь клетки. Липидная оболочка липосомы способна защитить содержащиеся в ней вещества от ферментативной деградации при контакте с биологическими жидкостями. Липосомы функционируют как неиммуногенное средство доставки генетического материала, как защита от нуклеаз, в качестве компактизиру-ющего средства (положительно заряженные липосомы) и как инициатор эндоцитоза.

Липосомы часто применяются в биологии для изучения мембраноактивных белков и моделирования различных ферментативных, транспортных и рецепторных функций клеточных мембран. Липосомы очень хорошо зарекомендовали себя в качестве модельной системы при изучении свойств биомембран. Липосомы позволяют воссоздавать элементы биологических структур непосредственно из материала биологических мембран. Было обнаружено, что отделенные от биомембран мембранные ферменты после включения в липосомы обнаруживают сходные со связанным на биомембране ферментом физические и каталитические свойства. В нанобиотехнологии важным направлением применения липосом является использование их в качестве систем доставки наночастиц и лекарственных препаратов.

Для изучения ионной проницаемости липидного слоя мембран используют бислойные липидные мембраны (БЛМ).

Для приготовления БЛМ в стакан наночастиц с раствором электролита помещают второй, тефлоновый, в стенку которого сделано отверстие, диаметром около 1 мм. С помощью капилляра в отверстие вводят маленькую каплю раствора фосфолипида в жидком углеводороде, гептане или гексане

В БЛМ полярные головки фосфолипидов обращены в водную фазу, а неполярные углеводородные цепи жирных кислот сливаются в сплошную вязкую фазу во внутренней части липидной мембраны. По многим свойствам эта пленка сходна с липидным слоем биологических мембран. Молекулы фосфолипидов собираются на поверхности капли таким образом, что полярные головки молекул обращены в водную среду, а гидрофобные хвосты -внутрь капли. Постепенно растворитель уходит из капли и улетучивается, а капля превращается в липидную пленку.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >