Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

ждалось в разд. 3.2. Мы упомянем здесь лишь дигитонин и близкие ему по структуре сапонины, которые имеют высокое сродство к мембра-носвязанным стеролам и, по-видимому, связываются в стехиометрии 1:1 с содержащимся в мембране холестеролом [1070, 991]. Полиеновые антибиотики, адриамицин и дигитонин, — это необычные примеры амфифильных молекул, обладающих избирательным сродством к определенным мембранным липидам.

Мембренные метки

Часто флуоресцентные и спиновые метки представляют собой амфифильные молекулы. В качестве примера можно привести кар-боцианиновые красители, используемые для изучения кинетики восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания (см. табл. 5.1 и рис. 5.6). Эта метка связывается с одной стороной мембраны и не может с помощью флип-флоп-перехода попасть на другую сторону [1598] и связаться с мембранами внутриклеточных органелл. Такая асимметрия связывания доказана экспериментально [1598]. Другой пример — спиновые [177] и флуоресцентные [1511] метки, которые могут связываться с мембраной и используются для изучения электрических свойств бислоя (см. рис. 7.9). Более подробно мембранные метки обсуждаются в разд. 7.4.1.

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 297

Класс Ilk гидрофобные ионы

Это молекулы, в которых заряженная группа находится в окружении неполярных групп, чем они и отличаются от простых амфифильных соединений, у которых полярная и неполярная части молекулы разделены. При связывании амфифильной молекулы с мембраной ее полярная группа оказывается локализованной ближе к водной фазе, а неполярная — погруженной в бислой. В случае же гидрофобных ионов зяряженная часть по крайней мере на несколько ангстрем проникает в гидрофобную область мембраны [439]. Примерами могут служить ионы тетрафенилбората и тетрафенилфос-фония (см. рис. 7.9). Гидрофобными ионами являются и некоторые ионофоры (разд. 7.5.2). Более детально свойства этих соединений (в частности, причина относительной легкости, с которой они могут пересекать бислой) будут рассмотрены в этой главе ниже.

Класс IV: ионы

Особый интерес представляют одно- и двухвалентные катионы, поскольку они уравновешивают суммарный отрицательный заряд большинства мембран. Кроме того, многие катализируемые мем-браносвязанными ферментами мембранные процессы зависят от рН, поэтому большую роль играет распределение протонов вблизи бислоя. Эти вопросы будут обсуждаться в разд. 7.3.3.

7.2. Проницаемость липидных бислойных мембран длл неэлектролитов [1546, 856]

Способность молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проникать через мембрану количественно выражается коэффициентом проницаемости. Физиологическое значение изучения мембранной проницаемости не вызывает сомнения. В отсутствие специфических транспортных белковых систем молекулы растворенного вещества могут попасть в клетку, только проникнув в липидный бислой. Кроме того, по мембранной проницаемости можно судить о структуре и динамических свойствах липидного бислоя. Скорость вращательной и латеральной диффузии молекул в мембранах определяют с помощью сложных методов, однако коэффициент трансмембранной диффузии для пересекающих бислой молекул можно определить на основе простого измерения проницаемости [856]. Механизм проникновения молекул через бислой также представляет большой интерес и может зависеть от наличия лабильных структурных дефектов в углеводородной области мембраны.

298 Глава 7

Чтобы пересечь бислой, молекула должна 1) проникнуть в мембрану, преодолев поверхностное натяжение или барьер свободной энергии на границе мембраны; 2) продиффундировать через бислой; 3) выйти из мембраны с противоположной стороны, вновь преодолев энергетический барьер на границе раздела фаз. Каждый из этих этапов в принципе может быть лимитирующей стадией всего процесса. Способность большинства неэлектролитов проходить через бислойные липидные мембраны можно с успехом описать с помощью модели, учитывающей растворение данного вещества в мембране и его диффузию поперек бислоя. Согласно этой модели, лимитирующей стадией является диффузия молекулы в липидном бислое, а энергетические барьеры на границе раздела фаз считаются пренебрежимо малыми. Это позволяет полагать, что равновесие между водной и мембранной фазами (этапы 1 и 3 на рис. 7.2) устанавливается быстро. Коэффициент распределения Кр задается в

Полярная молекула при наличии барьера на гра -нище раздела фаз

Полярная моленула

Неполярная моленула

Рис. 7.2. Схематическое представление энергетического барьера, который должны преодолеть полярные и иеполярные молекулы при проникновении через липидиую би-слойиую мембрану. См и С* — концентрации растворенного вещества в мембране и в водной фазе Цифры в иижией части схемы указывают последовательные стадии диффузии растворенного вещества через мембрану — из водной фазы слева от мембраны в водную фазу справа от мембраны.

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 299

этом случае выражением

Cf СХ

*' = сГс!- (76)

Определим коэффициент проницаемости Р как коэффициент пропорциональности в выражении для суммарного потока растворенного вещества со стороны 1 на сторону 2 через мембрану толщиной d, когда концентрации вещества в водных фазах по разные стороны мембраны различны:

Поток = Число молей растворенного вещества = _ ^ ^ ^

с-см2 1

Этот же поток можно выразить через коэффициент диффузии, используя первый закон Фика. Коэффициент диффузии определяется как коэффициент пропорциональности, связывающий поток и градиент концентрации растворенного вещества внутри мембраны:

Поток =-Z>Mf = -ВыЩ™. (7.8)

Предполагается, что в мембране устанавливается линейный градиент концентрации. Подставляя выражение (7.6) в (7.8), получим

(С* — С$)

Поток = ?>м ' d Кр. (7.9)

Сравнение выражений (7.7) и (7.9) показывает, что

Р=-^. (7.10)

Таким образом, коэффициент проницаемости равен произведению коэффициента распределения и коэффициента диффузии вещества в мембране, деленному на толщину мембраны. Он измеряется в см/с, т. е. имеет размерность скорости.

С другой стороны, поток через мембрану можно выразить через константу скорости первого порядка к, имеющую размерность с -1:

Поток = к AN, (7.11)

где AN — разность поверхностных концентраций растворенного вещества между двумя сторонами мембраны в моль/см2. Константа скорости также связана с коэффициентом проницаемости следующим соотношением, получаемым аналогично уравнению (7.10):

Р=к$, (7.12)

где /3 — коэффициент распределения для поверхностных концентраций [уравнение (7.2)]. Такой подход удобен тем, что величина, об-

300 Глава 7

ратная к, является мерой характерного времени перехода молекулы через бислой и к можно использовать для определения высоты энергетического барьера для пассивного транспорта.

Заметим, что уравнение (7.7) для проницаемости по своей форме аналогично выражению для закона Ома для электрического тока. Такая аналогия помогает понять физический смысл проницаемости. Разность концентраций ДС представляет собой движущую силу, аналогичную электрическому напряжению, а поток растворенного вещества через мембрану эквивалентен электрическому току. Тогда величина, обратная проницаемости (1/Р), эквивалентна электрическому сопротивлению, а сам коэффициент проницаемости — проводимости:

Поток = ДвижУщая сила _ дВИЖущая сила-Проводимость. Сопротивление

Продолжая аналогию, поток растворенного вещества через мембрану в соответствии с рис. 7.2 можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, содержащей три последовательно соединенных сопротивления: сопротивление на входе в мембрану и выходе из нее и сопротивление самой мембраны. Уравнение (7.10) выведено исходя из предположения, что сопротивление на границе липид — вода пренебрежимо мало, что, вообще говоря, не всегда верно [331].

Экспериментально измеренный коэффициент распределения неэлектролита между водной фазой и мембраной близок к коэффициенту распределения в системе вода/неполярный растворитель [331, 1386]. Из рис. 7.3 видно, что проницаемость фосфолипидного бислоя для неэлектролитов хорошо коррелирует с коэффициентом распределения в системе вода/гексадекан, причем эта корреляция сохраняется при изменении проницаемости в миллион раз. Эти данные подтверждают так называемое правило Овертона, согласно которому коэффициент проницаемости коррелирует с коэффициентом распределения в системе масло/вода. Наблюдения, послужившие основой правила Овертона, были сделаны еще в прошлом веке и послужили первыми указаниями на существование ограничивающего клетку мембранного барьера (см. гл. 1). Приведенная на рис. 7.3 линейная корреляция не означает, что коэффициент диффузии в уравнении (7.10) одинаков для всех веществ. Однако эти данные указывают на систематическое изменение DM с изменением коэффициента распределения для данного рода соединений, т. е. DM нельзя рассматривать как независимую переменную. Это положение выполняется не всегда: например, Стейн и др. [856, 1386] показали, что для некоторых биомембран отклонения от правила Овертона могут объясняться различиями в величине DM для разных веществ.

Прямая на рис. 7.3 проведена по методу наименьших квадратов

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 301

1 -

- e I_i_i-1-1-J-'-L

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 О

Рис. 7.3. Зависимость коэффициентов проницаемости (Я) веществ через плоскую мембрану из яичного фосфатилхолина от коэффициентов распределения (Кр,с) этих веществ в системе гексадекан/вода [1546]. Семь соединений, молекулы которых имеют самые маленькие размеры (светлые кружки), при линейном регрессионном анализе не учитывались. Приведены данные для следующих веществ: / — вода, 2 — фтористоводородная кислота, 3 — аммиак, 4 — соляная кислота, 5 — муравьиная кислота, 6 — метиламин, 7 — формамид, 8 — азотная кислота, 9 — мочевина, 10 — тиоциановая кислота, // — уксусная кислота, 12 — этиламин, 13 — этандиол, 14 — ацетамид, 15 — пропионовая кислота, 16 — 1,2-пропандиол, 17 — глицерол, 18 — масляная кислота, 19 — 1,4-бутандиол, 20 — бензойная кислота, 21 — капроновая кислота, 22 — салициловая кислота, 23 — кодеин.

через точки, соответствующие веществам с мол. массой от 50 до 300. Светлыми кружками представлены данные для веществ с очень маленькими молекулярными массами, например для воды. Для них величина Р в 2—15 раз больше, чем ожидаемая исходя из данных для крупных молекул [1546]. Это и другие отклонения от правила Овертона, полученные при изучении проницаемости мембран эритроцитов [856], использовались для подтверждения адекватности модели процесса диффузии через бислой. Согласно модели, эти отклонения отражают крутую зависимость коэффициента мембранной диффузии Du от размеров молекулы растворенного в бислое вещества. Такая зависимость наблюдалась ранее для диффузии в некоторых полимерах [1546, 856, 1386]. Диффузия молекул в полимере и

302 Глава 7

в жидкости по-разному зависит от размеров и формы молекулы растворенного вещества. Согласно уравнению Стокса — Эйнштейна, коэффициент поступательной диффузии для сферической частицы обратно пропорционален ее радиусу. Поступательную диффузию в полимере можно рассматривать как цепь последовательных переходов молекулы между соседними элементами свободного объема, которые спонтанно формируются при флуктуациях полимера. Скорость диффузии в таком случае будет зависеть от числа элементов необходимого объема и от скорости их образования. В результате зависимость коэффициента диффузии вещества в полимере от размеров и формы диффундирующей молекулы будет очень сильно отличаться от аналогичной зависимости для диффузии в жидкости. И биомембраны [856], и чистые фосфолипидные бислой [1546], по-видимому, в отношении коэффициентов поступательной диффузии низкомолекулярных неэлектролитов ведут себя как размягченные полимеры.

В табл. 7.1 приведены коэффициенты проницаемости биологических и модельных мембран для нескольких типов небольших молекул. Детальное обсуждение способов измерения этих коэффициентов выходит за рамки данной книги, однако в работе Стейна [1386] можно найти некоторые методические подробности. Обычно такого рода исследования включают измерение количества радиоактивно меченных соединений, накопившихся или вышедших из клеток или многослойных липосом либо перенесенных через плоскую мембрану. Плоские мембраны более всего подходят для электрометрического измерения ионных потоков, но нередко используются и для изучения транспорта неэлектролитов. Липосомы позволяют получить очень большую площадь поверхности и весьма стабильны, что дает возможность изучать транспорт молекул при чрезвычайно низких коэффициентах проницаемости. По оценкам, площадь поверхности мембран в суспензии липосом с концентрацией 2 мг/мл составляет 10000 А2/мл [311]. При этом за проницаемостью липосом следят, измеряя мутность или светорассеяние суспензии. Как видно из табл. 7.1, вода проникает через бислойные мембраны относительно легко и при изменении осмотичности среды в результате переноса растворенных веществ будет перемещаться внутрь липосом или из них (разд. 7.2.1). При сжатии или набухании многослойных липосом будет изменяться мутность суспензии, и следя за этим изменением, можно определить проницаемость мембран для' того или иного вещества. Единственная техническая проблема в таких исследованиях — наличие у поверхности мембраны непереме-шивающегося слоя толщиной 50 мкм или более. Локальная концентрация растворенного вещества в этом слое из-за плохого пере-мепивания может очень сильно отличаться от концентрации данного вещества в объеме [1546].

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 303

Таблица 7.1. Коэффициенты распределения некоторых веществ и проницаемость

для них мембран

Константа Коэффициент Ссылка скорости, распределе-1/с ння в системе гексаде-кан/вода2'

I Вола Яичный фосфати-

дилхолин

(плоская) 3,410"' 6,0- ю6 4,: 1:1 [1546]

Яичный фосфатн-

дилхолнн

(липосомы) 2,010" [311]

Эритроциты 1.2-10 "3 [856]

2. Мочевина Яичный фосфати-

дилхолин

(плоская) 4,0-10" 6 3,6-ю7 2,8-10"7 [1546]

Эритроциты 7,7-Ю"7 [8561

3. Глицерол Яичный фосфати-

дилхолин

(плоская) 5,4-10 * 2,5-Ю7 2,0-10 * [1546]

Эритроциты I.6-I0"7 [856]

4. Тетрафенил- Яичный фосфати-

фосфоний дилхолин

(ТФФ *) (плоская) 10"' -10"г ,-ю2 [439]

5. Тетрафенил- Яичный фосфати-

борат дилхолин

(ТФБ " ) (липосомы) 10"' -10' -I05 [439]

6. Na* Яичный фосфати-

дилхолин

(липосомы) -10"'4 - — [601]

7. СГ Яичный фосфатн-

днлхолнн

(липосомы) -10"" — [601]

8. Н * /ОН " Яичный фосфати- 10"-

дилхолин 10" — [1139, 563]

Вещество Мембрана" К

страница 42
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(26.09.2017)