Модельные липидные мембраны

Липосомы, или фосфолипидные везикулы (пузырьки), полу­чают обычно при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании раствора липидов в воду. При этом проис­ходит самосборка бимолекулярной липидной мембраны. Ми­нимуму энергии Гиббса отвечает замкнутая сферическая одно-ламеллярная форма мембраны. При этом все неполярные гидрофобные хвосты находятся внутри мембраны и ни один из них не соприкасается с полярными молекулами воды (рис. 1.11). Однако чаще получаются несферические многоламеллярные липосомы, состоящие из нескольких бимолекулярных сло­ев, - многослойные липосомы.

Рис. 1.11. Схема строения однослойной липосомы

Отдельные бимолекулярные слои многослойной липосомы отделены водной средой. Толщина липидных слоев составля­ет, в зависимости от природы липидов, 6,5 - 7,5 нм, а расстоя­ние между ними - 1,5 - 2 нм. Диаметр многослойных липосом колеблется в пределах от 60 нм до 400 нм и более.

Однослойные липосомы можно получить различными мето­дами, например из суспензии многослойных липосом, если об­работать их ультразвуком. Диаметр однослойных липосом, полученных этим методом, составляет 25-30 нм. Разработа­ны и другие методы получения однослойных липосом, в том числе диаметром до 400 нм и более.

Липосомы представляют собой в некотором роде прообраз клетки. Они служат моделью для исследований различных свойств клеточных мембран.

Липосомы нашли непосредственное применение в медици­не. Например, можно заключить внутрь липосом лекарствен­ный препарат и использовать как фосфолипидную микрокап­сулу для доставки лекарства в определенные органы и ткани. Липосомы не токсичны (при правильном подборе липидов), полностью усваиваются организмом, способны преодолевать некоторые биологические барьеры. Так, инсулин, заключен­ный в липосому, защищен от действия пищеварительных фер­ментов. В настоящее время выясняется возможность вводить этот препарат в липосомах перорально, что может избавить больных диабетом от необходимости систематических уколов. Проводятся работы по разработке методов липосомальной те­рапии опухолей, ферментативной недостаточности, атероск­лероза. Изучается возможность прицельной доставки лекар­ственного препарата, заключенного в липосомах, к больному органу или даже к больному участку (в частности, к поражен­ному участку сердца).

Для этого к липосоме присоединяется белковая молекула -антитело к соответствующему мембранному антигену орга­на-мишени. Липосомы с током крови разносятся по всему организму и задерживаются, оказавшись около органа-ми­шени.

Несмотря на заманчивые перспективы липосомальной тера­пии, еще имеется достаточно много нерешенных вопросов.

Рис. 1.12. Образование плоской бислойной липидной мембраны

Плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ) -другой тип модельных мембран. Такие мембраны получают на ма­леньких отверстиях диаметром около 1 мм в пластинке из пла­стика (например, фторопласта), погруженной в водную среду. На отверстие наносят каплю раствора липида (в спирте,) хлороформе, гептане или других растворителях). Раствори­тель диффундирует из раствора в воду, и на отверстии остает­ся пленка липида. Эта пленка спонтанно утончается до тех пор, пока не образуется бимолекулярный слой толщиной око­ло 6 нм. Лишний липид собирается в виде ободка-торуса у кра­ев отверстия (рис. 1.12).

Плоские липидные мембраны, наряду с липосомами, широ­ко используются в качестве моделей для изучения электри­ческих свойств мембраны, их проницаемости и других науч­ных исследований. С помощью модельных мембран изучаютряд функций биологических мембран, а том числе, барьерную (например, селективность проницаемости - хорошую проницаемость для воды и плохую для ионов). Можно моделировать биологический транспорт, вводя в модельную мембрану мо­лекулы-переносчики.

контрольные вопросы, задачи, задания

1. Удельная электрическая емкость мембраны аксона, измеренная внутриклеточным микроэлектродом, оказалась равной 0,5 микрофарад/см². По формуле плоского конденсатора оценить толщину гидрофобного слоя мембраны с диэлектрическойпроницаемостью 2.

2. Какое расстояние на поверхности мембраны эритроцита проходит молекула фосфолипида за 1 секунду в результате ла­теральной диффузии? Коэффициент латеральной диффузии принять равным 10~¹² м²/с. Сравните с окружностью эритроци­та диаметром 8 мкм.

3. При фазовом переходе мембранных фосфолипидов из жид­кокристаллического состояния в гель толщина бислоя изменяется. Как при этом изменится электрическая емкость мембра­ны? Как изменится напряженность электрического поля в мембране?

4. С помощью спин-меченых молекул фосфолипидов установлен градиент вязкости по толщине мембраны. Опишите эк­сперимент. Где вязкость выше: у поверхности мембраны или в ее центре?

типовые тесты текущего контроля

1.1. Толщина биологической мембраны:

1. 10 А 3.0,1 мкм

2. 10 нм 4. 10 мкм

1.2. Жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны включает в себя:

1. белковый слой, полисахариды и поверхностные липиды!

2. липидный монослой и холестерин

3. липидный бислой, белки, микрофиламенты

4. липидный бислой

1.3. Липидная часть биологической мембраны находится в следующем физическом состоянии:

1. жидком аморфном

2. твердом кристаллическом

3. твердом аморфном

4. жидкокристаллическом

1.4. Удельная электрическая емкость мембраны аксона:

1. 0,5 • 10 ^-4 Ф/м² 3. 0,5 • 10 ^-2 Ф/см²

2. 0,5 • Ю ^-2 Ф/м² 4. 0,5 • 10 ^-12 Ф/м²

1.5. Характерное время переноса молекулы фосфолипидоф из одного положения равновесия в другое при их диффузии:

латеральная флип-флоп

1. 10^-7 – 10^-8 ~1 час

2. 10^-10 – 10^-12 10^-7 – 10^-8 с

3. 1 – 2 часа 10 – 50 с

1.6. Фазовый переход липидного бислоя мембран из жидко­кристаллического состояния в гель сопровождается:

1. утоныпением мембраны

2. толщина мембраны не меняется

3. утолщением мембраны

ГЛАВА 2. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ ЧЕРЕЗ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ

Живые системы на всех уровнях организации - открытые системы. Поэтому транспорт веществ через биологические мем­браны - необходимое условие жизни. С переносом веществ че­рез мембраны связаны процессы метаболизма клетки, биоэнер­гетические процессы, образование биопотенциалов, генерация нервного импульса и др. Нарушение транспорта веществ через биомембраны приводит к различным патологиям. Лечение ча­сто связано с проникновением лекарств через клеточные мемб­раны. Эффективность лекарственного препарата в значитель­ной степени зависит от проницаемости для него мембраны.

Большое значение для описания транспорта веществ имеет понятие электрохимического потенциала.

Химическим потенциалом данного вещества μ_к называется величина, численно равная энергии Гиббса, приходящаяся на один моль этого вещества. Математически химический потен­циал определяется как частная производная от энергии Гиббса G по количеству k-ro вещества, при постоянстве температуры Т, давления Р и количеств всех других веществ m₁(l≠k):

Для разбавленного раствора концентрации вещества С:

где μ_Q- стандартный химический потенциал, численно равный химическому потенциалу данного вещества при его концент­рации 1 моль/л в растворе.

Электрохимический потенциал μ - величина, численно рав­ная энергии Гиббса G на один моль данного вещества, помещен­ного в электрическом поле.

Для разбавленных растворов

(2.1)

где F = 96500 Кл/моль - число Фарадея, Z - заряд иона элект­ролита (в элементарных единицах заряда), φ- потенциал элек­трического поля, Т [К] - температура.

Транспорт веществ через биологические мембраны можно разделить на два основных типа: пассивный и активный.

Дата добавления: 2014-12-29