Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

оэффици-

ент проницаемости, см/с

" Измерения проводились как на плоской мембране, разделяющей два водных компартмента, так и на липосомах [311, 1386].

21 Коэффициенты распределения для ТФФ * и ТФБ" даны для системы липидный бнелой/вода, а не для системы гексадекан/вода.

304 Глава 7

Таким образом, барьером проницаемости биомембран для низкомолекулярных неэлектролитов является фосфолипидный бислой. В отсутствие специфических каналов модельные бислойные мембраны и биомембраны ведут себя сходным образом.

7.2.1. ПРОНИЦАЕМОСТЬ ДЛЯ ВОДЫ [311, 81]

Как это ни удивительно, вода может довольно легко проникать через фосфолипидный слой. Приведенные в разд. 2.2.1 данные однозначно показывают, что внутри мембраны в гидрофобной ее области воды практически нет. Коэффициент распределения для воды в гексадекане не противоречит этому выводу, поскольку предсказывает, что концентрация воды в мембране должна быть порядка нескольких миллимолей, т. е. на 103 молекул фосфолипида должна приходиться примерно одна молекула воды. Кроме того, из значения коэффициента проницаемости следует, что при движущей силе, соответствующей трансмембранной разности концентраций 0,1 М, скорость потока воды должна составить около 10—100 молекул в секунду на молекулу фосфолипида. Как следует из рис. 7.3, по сравнению с другими неэлектролитами проницаемость фосфолипидного бислоя для воды выше, но не намного. Константа скорости для потока воды составляет 10б с ~ 1, т. е. молекула воды диффундирует через всю толщину мембраны всего за 1 мкс. Таким образом, очень маленькая стационарная концентрация воды в гидрофобной области мембраны вполне согласуется с наличием весьма интенсивного ее потока через бислой.

Не исключено также, что концентрация воды в гидрофобной области бислоя выше, чем оцениваемая исходя из данных о коэффициенте распределения. Более того, в ряде работ высказывается предположение о существовании в мембране временных трансбислой-ных цепочек из молекул воды, соединенных водородными связями [1049, 310]. Предполагается, что такие структуры играют роль проводников протонов через мембрану (разд. 7.5.1).

Транспорт воды через липидный бислой можно также изучать, используя и однослойные везикулы [1408]. Такие везикулы представляют собой прекрасные осмометры. Если концентрация соли внутри них выше, чем снаружи, то поток воды будет направлен внутрь везикулы, что приведет к созданию осмотического давления и последующему набуханию липосом. При набухании везикулы могут увеличиваться в радиусе вплоть до 5% и при этом оставаться стабильными, но степень набухания в очень большой степени зависит от размеров везикулы.

Проницаемость биомембран для воды обычно раз в 10 выше, чем проницаемость модельных мембран. Наиболее детально изуче-

Взаимодействие низкомолекуляриых соединений с мембранами 305

ны в этом отношении эритроциты [81, 1463]. Как показано в целом ряде лабораторий, обработка мембран эритроцитов сульфгидриль-ным реагентом я-хлормеркурийбензосульфонатом приводит к инги-бированию транспорта воды, уменьшая проницаемость для нее до уровня, характерного для липидного бислоя. По-видимому, этот SH-реагент действует на белок полосы 3, а возможно, и на белок полосы 4.5 анионного канала эритроцитов (см. разд. 8.3.3). По-видимому, проницаемость эритроцитарных мембран для воды обусловлена главным образом транспортом через канал, образуемый белком анионного переносчика. Аналогичные результаты были получены для препаратов мембран почек, откуда следует, что каналы для воды имеются и в этой системе [1487].

7.3. Электрические свойства мембран

Прежде чем перейти к обсуждению проницаемости липидного бислоя для ионов (разд. 7.5), рассмотрим электрические свойства мембран. Нам нужно найти суммарный трансмембранный электрический потенциал, что позволит оценить работу, необходимую для перемещения заряда из одной точки в другую. Это нужно для понимания механизма перемещения ионов через мембрану и для анализа распределения зарядов внутри мембраны и у ее поверхности. Это могут быть ионы, находящиеся в водной фазе у поверхности бислоя или на границе раздела фаз мембрана—вода, а также белки с заряженными аминокислотными остатками. В разд. 6.2 мы уже приводили примеры ферментов, функционирование которых зависит от поверхностной плотности зарядов на мембране. Мы также обсудили формирование трансмембранных каналов белком аламе-тицином в ответ на электрическое напряжение (разд. 3.7.1). В последующих разделах мы рассмотрим работу каналов с потенциалзави-симой воротной системой.

Напомним некоторые определения [633].

1. Число Фарадея F — это заряд одного моля одновалентного иона:

F = Число АвогадроЭлементарный заряд =

= (6,022-1023)-1,602-10" 19 кулон = 105 кулон/моль.

2. Электрическое напряжение V. Применительно к мембранам термины «напряжение», «потенциал», «разность потенциалов» и «разность напряжений» эквивалентны. Напряжение — это электрическая работа, необходимая для перемещения (без трения) заряда из одной точки пространства в другую. Напряжение 1 В соответствует разности потенциалов, для перемещения против которой заряда, равного 1 Кл, нужно совершить работу в 1 Дж. При измере-

306 Глава 7

нии напряжения всегда нужна некая точка отсчета. Для мембран обычно в качестве такой точки берется точка, расположенная очень (бесконечно) далеко от поверхности мембраны, и потенциал в ней принимается равным нулю.

3. Сила тока I измеряется в амперах; один ампер по определению равен одному 1 Кл/с.

4. Проводимость (G) или сопротивление (R) характеризует сопротивление потоку заряженных частиц, направленному от одной точки к другой. Эти величины определяются из закона Ома, связывающего силу тока (поток) с разностью потенциалов (движущей силой):

/= GV, или /= (\/R)V. (7.13)

Проводимость измеряется в сименсах (См), а обратная ей величина — сопротивление — в омах (Ом). Проводимость 1 См означает, что при изменении разности потенциалов на 1 В сила тока изменяется на 1 Клс-1.

5. Удельное сопротивление q используется для характеристики гомогенных проводящих сред (например, растворов солей), в частности для описания ионного потока через заполненные водой мембранные каналы. Удельное сопротивление — это электрическое сопротивление среды между двумя электродами площадью 1 см2, находящимися друг от друга на расстоянии 1 см. Размерность удельного сопротивления — Ом-см. Сопротивление среды между двумя электродами площадью а, находящимися на расстоянии дг друг от друга, можно определить по формуле

R = ^. (7.14) а

6. Емкость С. Для создания разности потенциалов между двумя точками, в частности между двумя сторонами бислоя, достаточно просто разделить заряды между этими точками. Емкость — это величина разделенных зарядов, необходимая для создания определенной разности потенциалов:

C=Q/K, (7.15)

где Q — величина заряда с каждой стороны мембраны, положительного с одной и отрицательного с другой, V — создаваемая разность потенциалов. Емкость измеряется в фарадах. Емкость мембраны — очень важная электрическая характеристика, поскольку она определяет, какое количество зарядов нужно перенести через мембрану, чтобы создать на ней определенное напряжение. Удельная емкость равна емкости единицы площади и зависит от количества зарядов, разделенных на единице площади мембраны.

В первом приближении бислойную мембрану можно предста-

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 307

вить в виде тонкой пластины из непроводящего материала, разделяющей два водных раствора. Таким образом, мембрана является обычным плоским конденсатором, в котором заряды находятся на двух границах раздела фаз мембрана—вода. Емкость такого конденсатора зависит только от расстояния между двумя заряженными поверхностями (d) и диэлектрической проницаемости (е) материала (углеводорода) между этими поверхностями. Диэлектрическая проницаемость характеризует поляризуемость материала, т. е. то, насколько эффективно помещенный в среду из этого материала постоянный электрический диполь «чувствует» приложенное электрическое поле (разность потенциалов). Большая диэлектрическая проницаемость формально означает «компенсацию» части зарядов на поверхности мембраны, так что для создания одной и той же разности потенциалов в случае большой е необходимо перенести через мембрану ббльший заряд.

(7.16)

где во — так называемая абсолютная диэлектрическая проницаемость, т. е. диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85-Ю"12 Кл-В_1-м~ . Для фосфолипидных бислоев и биомембран измеряемые значения удельной емкости примерно равны и составляют около 1 мкФ/см2, что соответствует диэлектрической проницаемости е = 2 при толщине около 25 А. В отличие от емкости электрическое сопротивление мембраны зависит от ее типа и от числа ионных каналов и для разных мембран варьирует в широких пределах (гл. 8).

Теперь мы можем перейти к определению суммарного трансмембранного электрического потенциала. Работа, необходимая для перемещения заряда, который находится на бесконечно большом расстоянии от мембраны, к поверхности мембраны, а затем в гидрофобную область бислоя, имеет следующие составляющие.

1. Работа, связанная с переносом заряда из среды с одной диэлектрической проницаемостью в среду с другим ее значением (например, из водной фазы в мембрану). Необходимость совершения такой работы связана с различием в поляризации диполей этих сред, и именно этим в значительной степени обусловлена дестабилизация зарядов в гидрофобной области мембраны.

2. Дипольный потенциал. Основной вклад вносят, по-видимому, ориентированные карбонильные группы фосфолипидных молекул. Возможно, определенную роль играют и ориентированные молекулы воды.

3. Поверхностный потенциал. Создается заряженными группами на поверхности мембраны.

4. Трансмембранный потенциал. Образуется за счет разделения

308 Глава 7

зарядов между водными фазами по разные стороны мембраны. Ои может создаваться в результате работы электрогенных ионных насосов или благодаря пассивной проницаемости бислоя для ионов в равновесных или стационарных условиях.

Рассмотрим вкратце каждый из этих компонентов.

7.3.1. РАБОТА, СОВЕРШАЕМАЯ ПРИ ПЕРЕНОСЕ ИОНА ВНУТРЬ БИСЛОЙНОЙ МЕМБРАНЫ [646]

Любой ион в воде стабилизируется благодаря взаимодействиям с диполями воды (энергия гидратации). Перемещение иона из воды в центр мембраны энергетически невыгодно, поскольку сопряжено с затратами энергии на освобождение иона от гидратной оболочки. Наиболее адекватной количественной моделью такого перехода является модель Борна. Работа, необходимая для переноса иона с зарядом q и радиусом г из среды с диэлектрической проницаемостью ?г в среду с диэлектрической проницаемостью е\, определяется по формуле

Диэлектрическая проницаемость воды (ег) равна 80; для внутренней части мембраны обычно используют характерную для углеводородов величину ?i = 2. Тогда работа, совершаемая при переносе иона с валентностью Z, составит W = (81 Z2/r) ккал/моль. То есть для_ перемещения внутрь мембраны одновалентного иона радиусом 2 А нужно затратить 40 ккал/моль. Ясно, что такое перемещение энергетически весьма невыгодно, иными словами, бислой является труднопреодолимым барьером для ионов. Отметим, однако, что ионы большого радиуса весьма эффективно могут стабилизироваться в мембране. Это помогает понять, каким образом про-1' никают через мембрану такие ионы, как I3~ SCN" и заряженные комплексы ионов с ионофорами.

Помимо энергии Борна имеется еще один компонент, связанный с возникновением на границе с диэлектриком сил поляризации. Появление заряда по одну сторону от границы раздела фаз вызывает переориентацию диполей в среде по другую сторону мембраны. Соответствующая энергия называется энергией «отображения» (от названия математического метода, используемого для ее вычисления). Для мембран она соответствует только 10—15%-ному уменьшению энергии Борна.

Все упомянутые модели рассматривают мембрану как простой слой диэлектрика. Ясно, однако, что находящиеся по краям бислоя полярные головки создают слой толщиной около 10 А, существенно отличающийся по своим свойствам от гидрофобного центра.

Взаимодействие низкомолекулярных соединений с мембранами 309

Диэлектрическая проницаемость в этой области должна измениться от 2 по одну сторону до 80 — по другую; в качестве средней величины приводятся значения от 10 до 30. Согласно модели, в это значение вносит свой вклад вращение полярных фосфолипидных головок [1201]. Гидрофильные области мембран интересны еще и тем, что именно здесь происходит связывание многих мембранных зондов и амфифильных молекул.

7.3.2. ПОТЕНЦИАЛ ВНУТРЕННИХ ДИПОЛЕЙ [646, 439, 438]

Как показывают экспериментальные и теоретические данные, ориентированные диполи на поверхности мембраны создают в центре фосфолипидного бислоя потенциал, равный примерно 240 мВ, положительный внутри. Это эквивалентно вкладу в свободную энергию 5,5 ккал/моль, положительному для катионов и отрицательному для анионов. Полярные фосфохолиновые головки ориентированы параллельно плоскости мембраны (разд. 2.2.4) и не должны ни при каких условиях образовывать диполи, направленные положительным концом внутрь мембраны, поскольку для этого положительно заряженный остаток холина должен располагаться ближе к центру бислоя, чем отрицательно заряженный фосфат. Вероятнее всего, внутренние диполи связаны с ориентированными карбонильными группами эфирных связей фосфолипидных молекул. Влияние этого потенциала на профиль потенциальной энергии, по-видимому, ограничивается лишь внутренней частью мембраны и проиллюстрировано на рис. 7.4.

При транспорте ионов небольшого размера, например Na+ и О ", это приводит к тому, что высота энергетического барьера для транспорта анионов через бислой оказывается несколько меньшей, чем для транспорта катионов. Тем не менее для небольших ионов любого заряда этот барьер остается достаточно высоким, а результирующие коэффициенты проницаемости через бислой — очень малыми (табл. 7.1).

Все сказанное не распространяется на такие гидрофобные ионы, как ТФФ+ и ТФБ~ (рис. 7.9). У этих ионов заряд окружен неполярными группами, и благодаря вкладу гидрофобной компоненты в суммарное изменение свободной энергии коэффициент распределения для этих ионов сильно сдвинут в пользу мембраны. Гидрофоб-ность окружения позволяет скомпенсировать большую часть электростатической энергии (энергии Борна). Кроме того, сама энергия Борна для этих ионов меньше из-за их относительно больших размеров (4 А). Профиль свободной энергии для гидрофобных ионов также показан на рис. 7.4. Как видно из этих данных, гидрофобная компонента свободной энергии для обоих ионов составляет около - 7 ккал/моль, а взаимодействие с внутренними диполями приво-

310 Глава 7

Компоненты потенциала

Гидрофобная компонента* Потенциал Борна * Потенциал отображения

Гидрофобн'ые ионы (+1

- 30 - 20 -10 0 Ю 20 30

Расстояние от центра мембраны, а

Рис. 7.4. Теоретический трансмембранный профиль свободной энергии с учетом вклада энергии Борна, энергии электростатического отображения, а также дипольной и гидрофобной (нейтр

страница 43
< 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
(11.12.2017)