Головна

Ліпідні пори: стабільність і проникність мембран

  1. А. Посилюється проникність гематоенцефалічний бар'єр
  2. Біологічні наслідки дії токсикантів на мембрани
  3. Бистабильность краще, ніж співіснування
  4. Речовини, що діють на збудливі мембрани і порушують механізми іонного транспорту
  5. водопроникність грунтів
  6. Збудливість і невозбудімості МЕМБРАНИ
  7. Дифузійний і мембранний потенціали

Бімолекулярний шар фосфоліпідів становить основу будь-якої клітинної мембрани. Безперервність його визначає бар'єрні і механічні властивості клітини. У процесі життєдіяльності безперервність бислоя може порушуватися з утворенням структурних дефектів типу наскрізних гідрофільних пір. Цілком природно чекати, коли це. Змінюються при цьому всі функції клітинної мембрани, включаючи проникність і стабільність.

Фосфоліпіди, що становлять основу клітинних мембран, відносяться до рідких кристалів. Як в будь-якому реальному кристалі, в плівці з фосфоліпідів можуть бути дефекти, в місці яких і розвиваються основні події структурних перебудов. Види дефектів різноманітні, але і найбільш природним для бислоя є дефект типу наскрізної гидрофильной пори.

У ліпідної бімолекулярний плівці клітинної мембрани пори з'являються, якщо виключити чисто механічні пошкодження, в результаті теплових флуктуації поверхні бішару, електричного пробою, заморожування плівки, дії поверхнево-активних речовин, осмотичного тиску, перекисного окислення ліпідів та ін. Один з найбільш типових і добре вивчених прикладів дестабілізації біологічних мембран - гемоліз еритроцитів. Це явище включає на початковому етапі набухання клітин в гіпотонічній середовищі в результаті дії сил осмотичного тиску. Під час набрякання клітини мембрана розтягується, що обумовлює зростання мембранного натягу. При певному пороговому рівні натягу з'являються гідрофільні ліпідні пори. Розміри пір достатні для виходу молекул гемоглобіну і низькомолекулярних речовин. Вихід речовин супроводжується в свою чергу зниженням різниці осмотичного тиску, при цьому натяг мембрани зменшується і пори заліковуються. Білки цитоскелета дозволяють еритроцити зберегти форму, при цьому утворюється так звана тінь еритроцита. Тінь зберігає осмотичну активність і таким чином процес дестабілізації набуває циклічний характер. Повного механічного руйнування клітини подібного мильній бульбашці в цьому випадку не відбувається. За відсутності цитоскелету або його недостатнього розвитку механічна міцність клітини цілком визначається долею ліпідних пір. Якщо пора має розмір менше критичного, то вона гоїться. В іншому випадку необмежене зростання пори призводить до руйнування мембрани.

Модель критичної пори.Розглянемо модель ліпідної пори (рис. 15). Будемо вважати, що бокова поверхня пори має форму кругового циліндра. Більш того, припустимо, що бокова поверхня циліндра вигнута і має радіус кривизни h / 2. Радіус пори дорівнює r. Як видно, ліпідний бішар в цілому є плоским, а пора має два радіуса кривизни h / 2 і r. Викривлення поверхні на межі поділу ліпід-вода супроводжується появою додаткового тиску, званого лапласовим і рівного

P = 2s1/ r

де s1 - Міжфазне натяг всередині пори, r- радіус кривизни.

Рис.15.Будова гидрофильной ліпідної пори: h-товщина ліпідного бішару; h / 2 - радіус кривизни стінки; r - радіус пори.

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

Розглянемо енергетику пори. Як встановлено вище, на кордоні пори діють дві протилежні сили, одна з яких - крайове лінійне натяг периметра пори - сприяє зростанню пори, а друга сила - поверхневий натяг бислоя - викликає стиснення пори. Крайова енергія пори пропорційна першого ступеня радіуса і збільшує сумарну енергію, енергія поверхневого натягу пропорційна квадрату радіусу і знижує сумарну енергію. В результаті сумарна енергія Е (r) дорівнює

E (r) = 2pr2s

де перший член визначається енергією кромки пори з лінійним натягом g, а другий - енергією поверхневого натягу s.

З урахуванням нестійкості рівноваги можна стверджувати, що поява пір з r> r * (r * = g / s) пора буде затікати і стабільність мембрани збережеться. Такий критерій стабільності ліпідної біслойной мембрани.

Електричний пробій мембрани.Біологічні мембрани знаходяться під дією електричного поля великої напруги, створюваного дифузією іонів через мембрану і електрогенних іонними насосами. Різниця потенціалів між цитоплазмою і позаклітинної середовищем досягає близько 0,1 В, товщина мембрани не перевищує 10 нм, значить напруженість поля дорівнює 107 В / м. Мембрана є більш досконалим електричним ізолятором, ніж багато рідкі ізолятори, застосовувані в техніці. Мембранний потенціал в живій клітині може досягати 0,2 В (прісноводні водорості, бактерії, енергізірованние мітохондрії). У збудливих нервових і м'язових клітинах відбувається короткочасна реполяризация мембрани з ростом амплітуди потенціалу. Однак пробою клітинної мембрани власним мембранним потенціалом малоймовірний. У той же час зростання мембранного потенціалу в результаті впливу зовнішніх електричних полем може досягати величини, що перевищує порогову для електричного пробою. При цьому з'являються структурні дефекти типу наскрізних ліпідних пір. Розроблена методика електричного пробою клітинних мембран отримала назву електропораціїі широко застосовується в біотехнології.

У фізиці під електричним пробоємрозуміють різке збільшення сили електричного струму в спочатку слабопроводящому середовищі. У живій клітині таким середовищем служить бімолекулярний шар липида. Для ліпідного бішару врідкокристалічному стані величина мембранного потенціалу не може бути менше 0,23 В. Стабільність біслойних мембран визначається ймовірністю появи пір критичного радіуса. Очевидно, що будь-який фактор, що знижує висоту енергетичного бар'єру, буде збільшувати цю ймовірність. До таких факторів слід віднести сніеніе крайової енергії пори у, зростання поверхневого натягу і зростання мембранного потенціалу. Електричний пробій супроводжується появою широкого спектру ліпідних пір різного радіусу, включаючи радіуси іоноселектівних білкових каналів. В даний час метод впливу зовнішніх електричних полем є одним з основних в сучасній біотехнології. Відомо його застосування з метою збільшення пористості мембран (електропорація), введення ДНК (електротрансфекція), звільнення клітин від великих молекул (електропермеабілізація), злиття клітин (електросліяніе).

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 в випадку з електричним пробоєм, долю мембрани буде визначати співвідношення радіусів утворилися пір і критичних пір для даного стану бислоя.

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 розміри менше 2 нм. Заморожування мембранних ліпідів в ході фазового переходу, еквівалентно електричного пробою мембрани зовнішнім електричним полем напругою 0,5 В. Будь-який вплив механічної, фізичної або хімічної природи, що зачіпає поверхневий натяг ліпідного бішару, є фактором ризику в стабілізації порсодержащіх мембран. Розвиток такого підходу дозволяє отримати кількісний відповідь на важливий для біології про ймовірність руйнування або заліковування мембран при типових стресових станах живої клітини.

Критичний радіус пір в мембранах, що знаходяться в рідкокристалічному стані при відсутності зовнішніх впливів, досягає 9 нм. Ця величина настільки значна, що ймовірність механічного розриву клітинних мембран в фізіологічних умовах дуже мала. Розрив мембрани, що знаходиться в такому стані, можливий лише тоді, коли пора набуває розмірів, співмірні з товщиною мембрани. Досвід показує, що повне руйнування ліпідного бішару можливо лише при грубих механічних маніпуляціях або незворотному електричному пробої ліпідів (ЖКС), гель-стані (гель), при електричному пробої (еп), при поєднанні гель-стану з електричним пробоєм (гель + еп) .

Розміри критичних пір для ліпідного бішару врідкокристалічному стані (9нм) значно перевищують розміри реальних пір. Мембрани в різних стресових станах мають значний запас міцності, дія електричного пробою і заморожування бислоя, адитивно. Такий результат можна очікувати, отже, і при інших поєднаннях фізичних і хімічних впливів. Стресовий вплив таким чином, незалежно від його фізико-хімічної природи, може бути кількісно оцінений і його результат передбачений в рамках даної моделі. 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 жідкокрісталліеского стану в гель за даними рентгеноструктурного аналізу, відбувається зміна товщини бислоя і площі на молекулу ліпіду. З огляду на кооперативность фазового переходу, можна припустити, що молекули в доменах, які перейшли в гель-фазу, і залишаються в рідкокристалічному стані, будуть перебувати в різних умовах. Щодо рівноважного стану молекули в домені гель-фази будуть розтягнуті, а в рідкокристалічному стані - стиснуті. З'явиться пружне напруження, яке призведе до порушення структури бішару.

Ліпідні пори і проникність мембран. З точки зору проникності ліпідні пори принципово відрізняються від білкових каналів своїм походженням і винятковою динамічністю. У той час як білкові канали мають строго певні розміри, що зберігаються протягом усього життя клітини, розміри лілідних пір в процесі затікання варіюють в 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 можливість повного затікання ліпідних пір залишається відкритим. Передбачається, що повного затягування часу перешкоджають потужні сили гідратації, які проявляються при зближенні стінок гідрофільних пір. Лшшдние пори на відміну від білкових іонних каналів не володіють вираженою вибірковістю, що корелює з їх порівняно великими вихідними розмірами. Ясно, однак, що в процесі затікання ліпідні пори можуть досягати як завгодно малих розмірів, в тому числі можна порівняти з розмірами білкових іонних каналів, що може призводити до перерозподілу іонних струмів в мембрані, наприклад, при порушенні. Відомо далі, що після виключення стресового впливу біслойних ліпідна мембрана може повернутися в стан з низькою провідністю, що подразуевает досягнення порами розміру, недостатнього для проходження гідратованих іонів. Таким чином, гідрофільні ліпідні пори універсальні в тому відношенні, що можуть бути використані кліткою для транспорту високомолекулярних речовин, іонів і молекул води.

Дослідження проникності ліпідних пір розвиваються в даний час в двох напрямках: в першому досліджуються максимально великі пори, в другому, навпаки, - ліпідні пори мінімального радіуса. У першому випадку мова йде про електро-трансфекції - способі введення в живі клітини або ліпосоми молекул ДНК з метою перенесення і внутрішньоклітинного введення чужорідного генетичного матеріалу. Виявилося, що зовнішнє електричне поле високої напруженості сприяє проникненню гігантської молекули ДНК всередину мембранної частки. Максимальний розмір критичної пори відповідає жидкокристаллическому станом бислоя 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, то розмір ліпідних пір в них не перевищує цього нижньої межі. Парадокс полягає в тому, що ефективний діаметр статистичного клубка ДНК, яка повинна лопать всередину частинки, сягає 2000 нм. Тому молекула ДНК повинна проникати через мембрану у вигляді розплетеною одиночної нитки. Відомо, що кінець нитки має діаметр 2 нм і таким чином тільки-тільки може увійти в пору. Однак вільна дифузія нитки ДНК в порі при цьому навряд чи можлива. На жаль, механізм цього явища до кінця не ясний. Передбачається, зокрема, що молекула ДНК здатна розширити пору і таким чином прослизнути через мембрану. Проникненню ДНК можуть сприяти додаткові сили електрофорезу і електроосмосу з урахуванням сумарного негативного заряду молекули ДНК. Не виключено, що пори з фіксованими в них кінцями молекули ДНК грають роль якоря, який утримує молекулу в певному місці біля поверхні мембрани везикули, а сам процес перенесення є різновидом пиноцитоза. Дослідження цього цікавого з точки зору проникності явища триває,

Другий напрямок дослідження проникності мембран за участю ліпідних пір пов'язано з трансмембраним перенесенням молекул і іонів води. Відоме в біології явище високої водної проникності клітинних мембран повністю відтворюється на штучних ліпідних бішару, що має на увазі участь в цьому процесі гідрофільних ліпідних пір.

Основний висновок полягає в тому, що стабільність ліпідного бішару та клітинної мембрани, позбавленої білкового каркаса, визначається ліпідними порами. Ці пори утворюються в місцях дефектів жидкокристаллической структури ліпідного бішару. Ліпідні пори виникають в результаті теплових флуктуації поверхні бішару, а також можуть народжуватися при мембранному стресі, що супроводжує фазовий перехід мембранних ліпідів, при електричному пробої і осмотическом лизисе. Доля мембрани в цих випадках буде залежати імовірнісним чином від того, чи буде ліпідна пора перевищувати певний критичний розмір чи 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 в нормі іонну проникність клітинних мембран. На останніх етапах затікання ліпідні пори можуть перетворюватися в водні пори, доступні тільки для молекул і іонів води.

 




Основні функції біологічних мембран | Структура біологічних мембран | Фазові переходи ліпідів в мембранах | Тема: ТРАНСПОРТ РЕЧОВИН ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ МЕМБРАНИ | Пасивний перенос речовин через мембрану | Активний транспорт речовин. досвід Уссінга | Електрогенних іонні насоси | ГЛАВА 4. МЕХАНІЗМИ ГЕНЕРАЦІЇ ПОТЕНЦІАЛУ ДІЇ | Типи керованих каналів. | Структура іонного каналу. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати