Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
направлено на изменение функции мембран, а эффективность лекарственных
соединений зависит от их способности проникать через мембраны или
связываться с ними.
5.1. СТРОЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН
Структурную основу любой биологической мембраны (рис. 33) как целого
составляет фосфолипидный бимолекулярный слой; именно он выполняет в
мембране функцию барьера для ионов и водорастворимых молекул и функцию
основы, матрицы для мембранных ферментов, рецепторов и других встроенных
в мембраны белков, гликолипидов и гликопротеидов.
вб
'ч.
Белки мембран могут либо находиться на поверхности липидного слоя,
удерживаемые преимущественно электро- Ч статическими силами
(периферические белки), либо про- '4V никать глубоко в липидный бислой
или даже пронизывать 4
его насквозь; в этом случае они связаны с липидами прочными гидрофобными
взаимодействиями (собственные или интегральные белки). В плазматических
мембранах большинства клеток к липидному бислою примыкает гликока-ликс,
состоящий из гликолипидов и гликопротеидов; в составе липидов
плазматических мембран много холестерина.
Молекулы фосфолипидов, входящие в состав биологических мембран, обладают
свойствами амфифильности, которое заключается в том, что часть молекулы
полярна (а потому гидрофильна), а другая -неполярна (и гидро-фобна). Это
обусловлено особенностями химической структуры фосфолипидов, молекулы
которых строятся из глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты и
полярного соединения, характерного для каждого класса фосфолипидов
(холин, этаноламин, серии и др.). По своей форме молекулы фосфолипидов
напоминают сплющенный цилиндр, - около V* которого (по длине)
гидрофильна, а 3/4 - гидрофобия (рис. 34).
В водном растворе такие молекулы самопроизвольно собираются вместе так,
что гидрофобные углеводородные цепи закрыты от воды, а полярные группы,
наоборот, выставлены в воду; происходит образование сплошного
бимолекулярного фосфолипидного слоя (бислоя). Липидные бислои, если они
имеют достаточно большую протяженность, стремятся замкнуться сами на
себя, чтобы спрятать гидрофобные участки фосфолипидных молекул от воды; в
результате образуются фосфолипидные везикулы-липо-сомы (рис. 35). Таким
образом, образование липидных мембран и везикул -самопроизвольный
процесс, "самосборка", связанная с физико-химическими особенностями
фосфолипидных молекул. В уже готовые фосфолипидные слои могут
встраиваться белки.
Окисление одной из жирнокислотных цепей фосфолипида при
свободнорадикальном процессе перекисного окисления или отщепление ее под
действием фермента фосфо-липазы А2 приводит к образованию молекулы, у
которой размер "головки" в плоскости мембраны превышает размеры
гидрофобной части: молекула по форме ближе уже не к цилиндрической, а к
конической. Такие дефектные молекулы, собираясь вместе, образуют не
бислой, а сфери-
4-1042
97
Холин Фосфат Глицерин Полярная "головка"
Жирные кислоты Неполярный "хвост"
Рис. 34. Структура молекулы фосфатндилхолина (лецитина).
Рис. 35. Самосборка фосфолипидных везикул в водном растворе.
1 - молекулы фосфолипидов:
2 - их лизоформы; 3 - би слойная мембрана; 4 - ли посома; 5 - пора в
бислой ной мембране; 6 - мицелла
ческие мицеллы (см. рис. 35). Оказываясь в составе мембран, несколько
таких молекул, сосредоточившись в одном месте, формируют пору, внутренняя
часть которой образована полярными головками, а потому гидрофильна. Через
такую пору могут проходить вода и ионы. В результате мембрана теряет свои
барьерные свойства. Поэтому пере-кисное окисление липидов и действие
фосфолипаз - процессы, ответственные за повреждение мембран при ряде
заболеваний.
При изучении строения и функционирования биологических мембран,
механизмов нарушения барьерных и структурных свойств липидного слоя и
действия лекарст-
Рис. 36. Кривые давление - площадь монослоя дипальми-тоилфосфатиднлхолина
на поверхности раздела всда/воз-дух.
а - область, соответствующая невзаимодействующим молекулам, б, в -
области жидкокристаллического состояния липидов и состояния двумерного
кристалла; р - давление (мН/м); А - площадь на молекулу (нм2).
¦4у v iV у
X
\
венных препаратов на мембраны большую помощь исследователям оказали
модельные системы. Во-первых, это монослои фос-фолипидов на поверхнос- --
-ти раздела вода -воздух или вода - масло. На таких фосфолипида
выстраиваются
0,6
2
поверхностях молекулы в один слой, так что полярные группы находятся в
воде, а гидрофобные -в воздухе или в масле (рис. 36).
С помощью прибора, основу которого составляют известные из курса
физической химии весы Ленгмюра, измеряют поверхностное давление р(Н/м),
которое необходимо приложить к пленке, чтобы сжать ее до определенных
размеров; обычно затем рассчитывают площадь А, занимаемую одной молекулой
липида в монослое. Между А и р для однородного монослоя существует
зависимость:
А - А0 - Ь/р,
(5.1)
где А о - минимально возможная площадь молекулы в монослое при предельном