Взаимодействие низкомолекуляных соединений с мембранами (стр. 2 из 8)
ЯМР исследовали непосредственное действие на мембраны ряда анестетиков, в частности анестетика общего действия хлоральги-драта, анестетиков местного действия прокаина, тетрака-ина и дибукаина и стероидных анестетиков. Распределение между мембраной и водной фазами стероидов, обладающих анестезирующим эффектом, не отличается от распределения любых других стероидов, и их влияние на состояние липидного слоя определяется, по-видимому, специфическими структурными особенностями.
Лекарственные препараты
Из лекарственных препаратов лучше всего исследован хлорпро-мазин. В частности, изучено его проникновение в липидные бислой-ные везикулы и в мембраны эритроцитов. В обоих случаях коэффициенты распределения в системе мембрана/вода были одинаковы. При введении в эритроциты хлорпромазина в больших количествах происходит существенное изменение структуры бислоя вплоть до его полного разрушения. Максимальное количество проникшего в мембрану хлорпромазина, по оценкам, занимает объем, превышающий объем самого бислоя. Вероятно, при больших концентрациях происходит агрегация незаряженной формы этого препарата в центре бислоя, что приводит к значительному увеличению толщины мембраны. В более умеренных количествах хлорпромазин вызывает образование в мембране пор диаметром ~ 14 А и, как следствие, лизис. Природа формирования пор неясна.
Антибиотики
Токсичность некоторых антибиотиков обусловлена, по всей видимости, их взаимодействием с мембраной.
1. Полимиксин В представляет собой циклический полипептид, состоящий из пяти положительно заряженных аминокислотных остатков и гидрофобной ацильной боковой цепи. Антибиотик 'специфичен в отношении грамотрицательных бактерий; его мишенью являются в первую очередь отрицательно заряженные липиды в наружной клеточной и цитоплазматической мембранах. Полимиксин имеет настолько высокое сродство к отрицательно заряженным липидам, что с его помощью можно вызвать латеральное перераспределение разных форм липидов в фосфоли-пидных везикулах. Взаимодействие клеток Е. соЧ с полимиксином Приводит к увеличению проницаемости мембран и выходу цито-Олазматического материала наружу, что однозначно указывает на разрушение мембраны.
2.Полиеновые антибиотики — амфотерицин В, нистатин и филипин — представляют собой мембрано-активные противогрибковые препараты. Они могут вызывать лизис дрожжевых клеток, эритроцитов и клеток млекопитающих. Предполагают, что литическая активность этих антибиотиков обусловлена их ассоциацией со стероидами в мембране и формированием пор. Образование таких комплексов было обнаружено методом ЯМР; определены константы комплексообра-зования с различными стероидами, встроенными в фосфолипидные везикулы. Богатые стероидами мембраны выявляли по флуоресценции комплексов филипина со стероидами.
3.Адриамицин по своей структуре относится к антрациклиновым гликозидам. Это противоопухолевый препарат, чье применение, правда, ограничено вследствие его кардиотоксич-ности. Адриамицин специфически связывается с кардиолипином в мембране, и, возможно, именно этим обусловлена его токсичность. С помощью молекулярного моделирования и минимизации энергии пытались рассчитать конформацию адриамицина, связанного с поверхностью бислоя за счет электростатического связывания с фосфатными группами кардиолипина.
Детергенты
Дигитонин и близкие ему по структуре сапонины, которые имеют высокое сродство к мембраносвязанным стеролам и, по-видимому, связываются в стехиометрии 1:1 с содержащимся в мембране холестеролом. Полиеновые антибиотики, адриамицин и дигитонин, — это необычные примеры амфифильных молекул, обладающих избирательным сродством к определенным мембранным липидам.
Мембршнные метки
Часто флуоресцентные и спиновые метки представляют собой амфифильные молекулы. В качестве примера можно привести кар-боцианиновые красители, используемые для изучения кинетики восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания. Эта метка связывается с одной стороной мембраны и не может с помощью флип-флоп-перехода попасть на другую сторону и связаться с мембранами внутриклеточных органелл. Такая асимметрия связывания доказана экспериментально. Другой пример — спиновые и флуоресцентные метки, которые могут связываться с мембраной и используются для изучения электрических свойств бислоя.
Класс Ilk гидрофобные ионы
Это молекулы, в которых заряженная группа находится в окружении неполярных групп, чем они и отличаются от простых амфи-фильных соединений, у которых полярная и неполярная части молекулы разделены. При связывании амфифильной молекулы с мембраной ее полярная группа оказывается локализованной ближе к водной фазе, а неполярная — погруженной в бислой. В случае же гидрофобных ионов зяряженная часть по крайней мере на несколько ангстрем проникает в гидрофобную область мембраны. Примерами могут служить ионы тетрафенилбората и тетрафенилфос-фония. Гидрофобными ионами являются и некоторые ионофоры.
Класс IV: ионы
Особый интерес представляют одно- и двухвалентные катионы, поскольку они уравновешивают суммарный отрицательный заряд большинства мембран. Кроме того, многие катализируемые мембраносвязанными ферментами мембранные процессы зависят от рН, поэтому большую роль играет распределение протонов вблизи бислоя.
3. Проницаемость липидных бислойных мембран длл неэлектролитов
Способность молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проникать через мембрану количественно выражается коэффициентом проницаемости. Физиологическое значение изучения мембранной проницаемости не вызывает сомнения. В отсутствие специфических транспортных белковых систем молекулы растворенного вещества могут попасть в клетку, только проникнув в ли-пидный бислой. Кроме того, по мембранной проницаемости можно судить о структуре и динамических свойствах липидного бислоя. Скорость вращательной и латеральной диффузии молекул в мембранах определяют с помощью сложных методов, однако коэффициент трансмембранной диффузии для пересекающих бислой молекул можно определить на основе простого измерения проницаемости. Механизм проникновения молекул через бислой также представляет большой интерес и может зависеть от наличия лабильных структурных дефектов в углеводородной области мембраны.
Чтобы пересечь бислой, молекула должна 1) проникнуть в мембрану, преодолев поверхностное натяжение или барьер свободной энергии на границе мембраны; 2) продиффундировать через бислой; 3) выйти из мембраны с противоположной стороны, вновь преодолев энергетический барьер на границе раздела фаз. Каждый из этих этапов в принципе может быть лимитирующей стадией всего процесса. Способность большинства неэлектролитов проходить через бислойные липидиые мембраны можно с успехом описать с помощью модели, учитывающей растворение данного вещества в мембране и его диффузию поперек бислоя. Согласно этой модели, лимитирующей стадией является диффузия молекулы в липидном бислое, а энергетические барьеры на границе раздела фаз считаются пренебрежимо малыми. Это позволяет полагать, что равновесие между водной и мембранной фазами устанавливается быстро. Коэффициент распределения Крзадается в
этом случае выражением
Определим коэффициент проницаемости Р как коэффициент пропорциональности в выражении для суммарного потока растворенного вещества со стороны 1 на сторону 2 через мембрану толщиной d, когда концентрации вещества в водных фазах по разные стороны мембраны различны:
Этот же поток можно выразить через коэффициент диффузии, используя первый закон Фика. Коэффициент диффузии определяется как коэффициент пропорциональности, связывающий поток и градиент концентрации растворенного вещества внутри мембраны:
Предполагается, что в мембране устанавливается линейный градиент концентрации. Подставляя выражение в, получим
Сравнение выражений и показывает, что
Таким образом, коэффициент проницаемости равен произведению коэффициента распределения и коэффициента диффузии вещества в мембране, деленному на толщину мембраны. Он измеряется в см/с, т. е. имеет размерность скорости.
С другой стороны, поток через мембрану можно выразить через константу скорости первого порядка к, имеющую размерность с '1:
Поток = к AN,
где AN— разность поверхностных концентраций растворенного вещества между двумя сторонами мембраны в моль/см2. Константа скорости также связана с коэффициентом проницаемости следующим соотношением, получаемым аналогично уравнению:
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: