2834.Введение в супрамолекулярную химию

исторически липосомами впервые были названы частицы, образующиеся при механическом диспергировании взвеси набухших фосфолипидов в воде. Эти частицы являются многослойными, и потому их иногда называют мультиламеллярными везикулами (МЛВ). Они состоят из нескольких десятков, а то и сотен липидных бислоев, разделенных водными промежутками (рис. 4.4), и имеют довольно крупные размеры (до 50 мкм). Самые маленькие везикулы (около 20 нм), образованные одним липидным бислоем, называют малыми моноламеллярными везикулами (ММВ).

Рис. 4.4. Различные виды липосом: МЛВ – мультиламеллярные везикулы; БМВ – большие моноламеллярные везикулы; ОЛВ – олиголамеллярные везикулы; ОВЛ – олиговезикулярные липосомы; ММВ – малые моноламеллярные везикулы; дискообразные липосомы – дискомы; тубулярные трубчатые везикулы

91

Между двумя крайностями – МЛВ и ММВ – лежит целое поле разнообразных липосомных структур, различающихся размерами, формой, числом липидных бислоев и внутренним устройством. Внешне липосомы не всегда выглядят как глобулярные частицы. Иногда они принимают уплощенную дискообразную форму (так называемые дискомы) или имеют вид очень длинных и тонких трубок, которые называют тубулярными липосомами.

Все эти структуры образуются в воде или аналогичных полярных растворителях. Внеполярных растворителях молекулы липидногобислоя обращены внутрь полярными головками и наружу неполярными углеводородными цепями. Точно так же липидный слой образует различные структуры, которые принято называть обращенными, так как уних неполярные части молекул направлены в сторону неполярного растворителявотличиеотнормальныхвезикул(рис. 4.5).

а

б

Рис. 4.5. Модель нормальной (а) и обращенной (б) везикулы

Толщина липидного бислоя около 4 нм. Компоненты липидного бислоя обладают высокой молекулярной подвижностью, поэтому в целом он ведет себя как жидкая, текучая фаза и обладает достаточной механической прочностью, гибкостью и пластичностью. Благо-

92

даря этому липосомы сохраняют целостность при различных повреждающих воздействиях, а их мембрана обладает способностью к самозалечиванию возникающих в ней структурных дефектов.

Для практического применения липосом и везикул исключительно важна их способность включать в себя и удерживать вещества различной природы (рис. 4.6). Водорастворимые вещества включаются во внутренний водный объем липосом. Гидрофобные молекулы связываются в протяженном гидрофобном слое или во внутренней области обращенных везикул. На поверхности нормальных и обращенных везикул могут адсорбироваться различные вещества.

Рис. 4.6. Способы включения различных веществ в нормальную везикулу

93

Хотя липосомы достаточно прочны и стабильны в широком диапазоне условий, их можно легко разрушить до мицеллярного состояния с помощью поверхностно-активных веществ, относящихся к разряду детергентов (моющих средств). Этот процесс, называемый солюбилизацией, является обратимым, и липосомы вновь формируются, если детергент удалить из мицеллярного раствора. Самосборку мембран путем удаления солюбилизирующего детергента обычно применяют для встраивания интегральных мембранных белков в липидный бислой, называя этот процесс реконструкцией, а получаемые при этом белоксодержащие липосомы − протеолипосомами.

Внастоящее время липосомы находят широкое применение

вфундаментальных научных исследованиях (рис. 4.7). Так, с помощью липосом были установлены основные закономерности транспорта веществ через мембрану, показана важная роль фазовых переходов в функционировании мембран, определены молекулярные параметры липидного бислоя и его динамические характеристики, изучены процессы слияния мембран, в реконструированных системах были охарактеризованы индивидуальные мембранные белки

ицелые белковые ансамбли.

Рис. 4.7. Применениелипосомвфундаментальныхнаучных исследованиях

94

Применение липосом в медицине не ограничивается традиционной химиотерапией. Липосомы более перспективны в сочетании с новым поколением лекарств, созданных благодаря успехам белковой и генетической инженерии. Использование липосом, содержащих лечебные гены, может оказаться полезным для терапии наследственных заболеваний, которые обусловлены дефектами генов, кодирующих жизненно важные белки. В ближайшие годы следует ожидать резкого возрастания количества генотерапевтических разработок, достигших стадии клинических испытаний. Можно надеяться, что через 5–10 лет генотерапия станет стандартным методом лечения отдельных форм рака, инфекционных и аутоиммунных заболеваний. Весьма серьезные работы ведутся по созданию гемоглобинсодержащих липосом (гемосом) с целью получения искусственных заменителей крови.

Самая развитая в коммерческом отношении область практического применения липосом – косметика. В 1987 г. французские фирмы «Кристиан Диор» и «Л'Ореаль» выпустили в продажу липосомный гель «Каптюр» и крем для кожи под названием «Ниосомы». В последующие годы в продаже появилось несколько сот аналогичных продуктов. Основу всех этих препаратов составляет водная дисперсия липосом, как правило, многослойных, которые благодаря способности удерживать воду являются прекрасным увлажняющим агентом. Для усиления полезных эффектов в рецептуру вводят добавки различных биологически активных веществ, таких как витамины, антибиотики, белковые экстракты, фруктовые кислоты.

Липиды в виде жиров являются одним из основных компонентов почти любого продукта питания. Способность липосом солюбилизировать (делать растворимыми) вещества в воде, защищать их от неблагоприятных факторов среды и высвобождать эти вещества

внужное время и предсказуемым образом может быть использована

втехнологических процессах пищевой промышленности. Транспорт различных веществ через клеточные мембраны осу-

ществляется с помощью высокомолекулярных полифосфатов

(рис. 4.8) – линейных полимеров ортофосфорной кислоты, в кото-

95

		рых фосфорные остатки связаны
		между собой фосфоангидридными
		связями. Высокомолекулярные по-
		лифосфаты являются богатыми
	Рис. 4.8. Структура	энергией (макроэргическими) со-
		единениями. Эти соединения бла-
	полифосфата
		годаря присутствию в их молеку-

ле атомов фосфора, связанных между собой ангидридными связями, способны к делокализации энергии и выделению большого ее количества при гидролизе этих связей. Количество фосфатных остатков в молекулах полифосфатов, присутствующих в живых клетках, может изменяться от 3 до 1000. Эти соединения являются для живых клеток резервом не только фосфора, но и энергии. Кроме того, так как в живых существах полифосфаты присутствуют в виде солей тех или иных ионов металлов (Ca2+, Mg2+, K+ и т.д.), их можно рассматривать и как резервы этих ионов.

Упримитивных организмов полифосфаты, являясь богатыми энергией соединениями, играли важную роль в биоэнергетике клеток, в сопряжении энергодающих и энергопотребляющих реакций. Далее эта функция была передана более сложно синтезируемому, но более удобному и полифункциональному соединению – АТФ (аденозинтрифосфату). В то же время у большинства современных бактерий полифосфаты активно участвуют в самой примитивной, метаболической регуляции, в первую очередь выполняя роль осмотически инертного резерва фосфата и энергии. Такой резерв дает возможность этим микроорганизмам при любых подходящих условиях быстро переходить к интенсивному росту и размножению.

Увысокоорганизованных организмов, менее зависимых от внешних условий и обладающих гораздо более совершенными, хотя

и более сложно функционирующими системами гормональной и нервной регуляции, потребность в сохранении «на всякий случай» больших резервов фосфата и энергии отсутствует. У этих организмов полифосфаты сохраняют за собой только функции генетической и структурной регуляции, в частности они достоверно выявле-

96

ны в составе белка хроматина клеточных ядер и в виде двуспиральных комплексов с поли-β -оксимасляной кислотой в мембранах митохондрий, а также во внешней и внутриклеточных мембранах. В хроматине, являющемся сложным комплексом суперскрученной ДНК с белками, полифосфаты, видимо, участвуют в регуляции генетической активности и синтеза РНК на ДНК. Здесь важную роль может играть то обстоятельство, что высокомолекулярные полифосфаты несут мощный отрицательный заряд и могут в связи с этим успешно конкурировать с ДНК за взаимодействие с положительно заряженными белками хроматина, участвующими в регуляции его генетической активности. Кроме того, находясь в составе двуспиральных комплексов с поли-β -оксимасляной кислотой в составе внешней (цитоплазматической) и внутренних мембран животных клеток, высокомолекулярные полифосфаты могут играть важную роль в структурной регуляции транспорта ионов и веществ.

Значительная роль соединений фосфора в функционировании живых организмов очевидна. Однако недавно в журнале Science была опубликована статья, авторы которой сообщили, что им удалось обнаружить в донных отложениях соленого озера Моно на севере Калифорнии бактерию из семейства Halomonadaceae, живущую в условиях дефицита фосфора и высокой концентрации мышьяка. В лаборатории путем постепенного увеличения содержания мышьяка в питательной среде ученым удалось добиться того, что эти бактерии, получившие обозначение GFAJ-1, полностью заменили в своем организме фосфор на мышьяк. При этом все биологические процессы у них протекали совершенно нормально.

Комментируя эти результаты, почетный член Фонда прикладной молекулярной эволюции (США), финансирующего работы в области биохимии, Стивен Беннер (Steven Benner) отметил, что мышьяк по своим химическим свойствам во многом схож с фосфором, однако, встраиваясь в структуру ДНК и РНК, он оказывается «слабым звеном». Образуемые им химические связи легко разрываются за счет повышенной реакционной способности атома мышьяка. «В то же самое время повышенная реакционная способность

97

мышьяка, негативно влияющая на стабильность биологических молекул при комнатной температуре, может оказаться полезной в том случае, если биологическая молекула должна выполнять свои функции при низких температурах, таких, например, как на спутнике Сатурна Титане», − сказал Беннер, выступая на прессконференции в штаб-квартире НАСА. «Идея альтернативной биохимии для жизни является общим местом в научной фантастике. До сих пор жизненные формы, использующие мышьяк в качестве строительного материала, были только теоретической конструкцией, однако теперь мы знаем, что такие формы жизни существуют», − отметил, комментируя исследование, Карл Пилчер (Carl Pilcher), директор Института астробиологии НАСА.

Мембрана клетки является избирательным барьером для различных веществ, находящихся внутри и снаружи клетки. Существует несколько специфических механизмов транспорта в мембранах. Все он могут быть подразделены на два типа: пассивный и активный транспорт.

Все виды пассивного транспорта основаны на принципе диффузии. Диффузия является пассивным транспортом, поскольку не требует затрат внешней энергии. Существует несколько видов диффузии в плазматической мембране: 1 − свободная диффузия, 2 − облегченная диффузия неэлектролитов, 3 − электродиффузия (облегченная диффузия ионов).

Вещества, перемещающиеся через мембрану путем свободной диффузии, не образуют каких-либо химических связей с другими веществами. Проницаемость мембраны для неэлектролитов в этом случае существенно зависит от их способности растворяться в липидном бислое мембраны. Проницаемость мембраны зависит также от размера молекул. Мелкие молекулы могут проникать через мембрану путем свободной диффузии. Например, вода нерастворима в липидах и органических растворителях. Но она проникает через плазматическую мембрану благодаря небольшому размеру молекул. Проницаемость мембраны для воды очень высокая. Предполагают,

98

что она проникает в мембрану через временные структурные дефекты, формирующихся при тепловых колебаниях хвостиков из жирных кислот. Эти дефекты позволяют перемещаться через мембрану не только молекулам воды, но также другим небольшим гидрофильным молекулам (кислород, углекислый газ).

Крупные гидрофильные молекулы (сахара, аминокислоты) и некоторые ионы перемещаются через мембраны с помощью специальных молекул − мем-

бранных переносчиков, которые

	представляют		собой	интеграль-
	ные белки, имеющие центры
	связывания		транспортируемых
	молекул.	Образующаяся связь
	(рис. 4.9)	является		обратимой
	и обладает	высокой		степенью	Рис. 4.9.	Калиевый комплекс
	специфичности.
					валиномицина
	Транспортируемая молекула

проходит через мембрану вследствие изменения конформации бел- ка-переносчика при химическом взаимодействии центров связывания обеих молекул. Транспорт веществ через мембрану, в котором используются транспортные молекулы, называются облегченной диффузией. Этот тип транспорта мембраны является одним из видов диффузии, поскольку транспортируемое вещество перемещается по градиенту концентрации, никакая дополнительная энергия не требуется для этого процесса. Облегченная диффузия отличается от свободной диффузии своей высокой специфичностью. Супрамолекулярные мембранные переносчики могут узнавать даже оптические изомеры одного и того же вещества.

Другой особенностью облегченной диффузии является феномен насыщения. Поток вещества, транспортируемого путем облегченной диффузии, растет в зависимости от концентрации вещества только до определенной величины. Затем возрастание потока пре-

99

кращается, поскольку транспортная система полностью занята. Таким образом, действие транспортной системы подобно катализу ферментами, однако переносчик не ускоряет химическую реакцию, а перемещает вещество через мембрану.

Электродиффузия − диффузия электрически заряженных частиц (ионов) под влиянием концентрационных и электрических градиентов. Липидный бислой мембраны непроницаем для ионов. Они могут проникнуть через плазматическую мембрану только посредством специальных структур − ионных каналов, которые образованы интегральными белками. Движущей силой диффузии является не только разность концентрации ионов внутри и вне клетки, но также разность электрических потенциалов, создаваемых этими ионами по обе стороны мембраны.

Ионные каналы мембраны представляют собой интегральные белки, которые образуют отверстия в мембране. В плазматической мембране обнаружен ряд ионных каналов, которые характеризуются высокой специфичностью, допускающей перемещение только одного вида ионов. Существуют натриевые, калиевые, кальциевые и хлорные каналы. Каждый из них имеет так называемый селективный фильтр, который способен пропускать только определенные ионы. Проницаемость ионных каналов может изменяться благодаря наличию «ворот», определенных групп атомов в составе белков, формирующих канал. Конформационные изменения «ворот» переводят канал из открытого состояния в закрытое, и наоборот. Механизмы регуляции положения «ворот» могут отличаться в различных каналах. Некоторые из них открываются при изменениях электрического потенциала мембраны, другие – под действием специфических химических веществ, выполняющих сигнальные функции.

Раствор вещества высокой концентрации обладает более высокой свободной энергией, чем раствор вещества более низкой концентрации. В процессе диффузии энергия рассеивается. Вещество не может переместиться из области низкой его концентрации в область высокой его концентрации за счет внутренней энергии. Для перемещения веществ против их концентрационного или электро-

100