Реферат: Взаимодействие низкомолекуляных соединений с мембранами
где 0 — коэффициент распределения для поверхностных концентраций. Такой подход удобен тем, что величина, обратная к, является мерой характерного времени перехода молекулы через бислой и к можно использовать для определения высоты энергетического барьера для пассивного транспорта.
Заметим, что уравнение 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, эквивалентна электрическому сопротивлению, а сам коэффициент проницаемости — проводимости:
Продолжая аналогию, поток растворенного вещества через мембрану в соответствии с рис. 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 выведено исходя из предположения, что сопротивление на границе ли-пид — вода пренебрежимо мало, что, вообще говоря, не всегда верно.
Экспериментально измеренный коэффициент распределения неэлектролита между водной фазой и мембраной близок к коэффициенту распределения в системе вода/неполярный растворитель. 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. Приведенная на рис. 7.3 линейная корреляция не означает, что коэффициент диффузии в уравнении 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. показали, что для некоторых биомембран отклонения от правила Овертона могут объясняться различиями в величине DM для разных веществ.
Прямая на рис. 3 проведена по методу наименьших квадратов
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. Это и другие отклонения от правила Овертона, полученные при изучении проницаемости мембран эритроцитов, 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. Диффузия молекул в полимере и 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, и чистые фосфолипидные бислой, 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 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. При этом за проницаемостью липосом следят, измеряя мутность или светорассеяние суспензии. Как видно из табл. 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. 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 перемешивания может очень сильно отличаться от концентрации данного вещества в объеме.
Таблица 1. Коэффициенты распределения некоторых веществ и проницаемость для них мембран
Таким образом, барьером проницаемости биомембран для низкомолекулярных неэлектролитов является фосфолипидный бислой. В отсутствие специфических каналов модельные бислойные мембраны и биомембраны ведут себя сходным образом.
2.1. ПРОНИЦАЕМОСТЬ ДЛЯ ВОДЫ
Как это ни удивительно, вода может довольно легко проникать через фосфолипидный слой. 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. 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. Предполагается, что такие структуры играют роль проводников протонов через мембрану.
Транспорт воды через липидный бислой можно также изучать, используя и однослойные везикулы. 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 изучены в этом отношении эритроциты. Как показано в целом ряде лабораторий, обработка мембран эритроцитов сульфгидриль-ным реагентом л-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. 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.
3. Электрические свойства мембран
Прежде чем перейти к обсуждению проницаемости липидного бислоя для ионов, 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.
Напомним некоторые определения.
1. Число Фарадея F— это заряд одного моля одновалентного иона:
F= Число АвогадроЭлементарный заряд =
= -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 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
нии напряжения всегда нужна некая точка отсчета. Для мембран обычно в качестве такой точки берется точка, расположенная очень 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 или сопротивление характеризует сопротивление потоку заряженных частиц, направленному от одной точки к другой. Эти величины определяются из закона Ома, связывающего силу тока с разностью потенциалов:
Проводимость измеряется в сименсах, а обратная ей величина — сопротивление — в омах. Проводимость 1 См означает, что при изменении разности потенциалов на 1 В сила тока изменяется на 1 Клс-1 .
5.Удельное сопротивление qиспользуется для характеристики гомогенных проводящих сред, 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 х друг от друга, можно определить по формуле
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 ве-
личина разделенных зарядов, необходимая для создания определен-
ной разности потенциалов: