Взаимодействие низкомолекуляных соединений с мембранами

Взаимодействие низкомолекуляных соединений с мембранами

Взаимодействие низкомолекуляных соединений с мембранами: пространственное разделение, проницаемость и электрические эффекты

Введение

Биомембрана -- это не просто пассивный барьер, разграничивающий клетки или органеллы и препятствующий свободному переносу растворенных веществ между водными компартментами. Мы остановимся именно на функции мембраны как барьера. Основной акцент будет сделан на взаимодействии между фосфолипидным бислоем и растворенными в окружающей его водной среде низкомолекулярными соединениями -- как ионами, так и неэлектролитами. Вначале мы обсудим связывание таких молекул с мембраной, причем под связыванием будем понимать как адсорбцию на поверхности, так и проникновение внутрь бислоя. Любое попавшее в бислой вещество может диффундировать через него и выйти с противоположной стороны. В этих рамках здесь обсуждается проблема проницаемости мембраны для неэлектролитов. Чтобы понять, каков механизм взаимодействия ионов с мембраной, необходимо рассмотреть общий профиль электрической составляющей потенциальной энергии мембраны. Знание электрической составляющей свободной энергии иона, находящегося вблизи мембраны или внутри ее, чрезвычайно важно не только для понимания того, как связываются с поверхностью мембраны ионы двух- или одновалентных металлов, но и для оценки локальных значений рН на поверхности мембраны, а также для моделирования механизмов регуляции ферментов и ионных каналов с помощью изменения электрического напряжения на бислое.

1. АНАЛИЗ АДСОРБЦИИ ЛИГАНДОВ НА БИСЛОЕ

Перед тем как приступить к изложению материала, обсудим, каким образом можно описать адсорбцию лигандов на поверхности бислоя. Необходимость такого описания возникает при анализе многочисленных экспериментальных ситуаций, при этом можно использовать несколько подходов. Здесь мы подробно рассмотрим адсорбцию на бислое ионов и амфифильных молекул, хотя такой же анализ применим для любых молекул, способных связываться с поверхностью бислоя. В связывании низкомолекулярных соединений с белками обычно участвуют вполне определенные специфические центры. Изучая связывание молекул с белком, можно определить 1) число центров связывания на молекуле белка; 2) сродство центра связывания к лиганду; 3) степень взаимодействия между центрами связывания, т.е. кооперативность. Экспериментально все эти характеристики можно получить из анализа кривой связывания, т.е. зависимости количества связанного лиганда от концентрации свободного лиганда. Анализ такой зависимости относительно несложен, поскольку имеется лишь фиксированное число центров связывания, которые могут быть либо заняты, либо свободны. Такой же подход применим при изучении связывания каких-либо лигандов с определенным центром на мембране.

Анализ адсорбции молекул на поверхности липидного бислоя, однако, гораздо более сложен, поскольку в этом случае понятие центра связывания не столь однозначно. Подход, который следует использовать в этом случае, и информация, которую можно получить, зависят от конкретной экспериментальной ситуации. Рассмотрим несколько таких подходов.

Равновесное распределение

Данная модель рассматривает мембрану как отдельную фазу. Небольшие молекулы распределяются между водной фазой и мембраной в соответствии с коэффициентом распределения Кр,

где Ссвяз и Ссвоб -- концентрации связанного с мембраной и свободного лиганда соответственно. В такой модели насыщение отсутствует, т. е. концентрация связанного лиганда будет расти до бесконечности с увеличением его концентрации в водной фазе. Естественно, это нереальная ситуация, и данная модель применима только в том случае, если количество связанного лиганда относительно мало. Отметим, что в данной модели не содержится никакой информации о центрах связывания. При концентрациях лиганда, далеких от насыщения, т. е. в условиях, когда заполнена лишь небольшая доля потенциальных центров связывания, практически любое уравнение адсорбции сводится к уравнению.

Коэффициент распределения можно выразить несколькими способами. Проще всего представить концентрацию связанного лиган-да как поверхностную концентрацию NCB„, имеющую размерность моль/см2, и тогда коэффициент распределения /3 имеет размерность длины:

Если N. Тогда, если пренебречь краевыми эффектами, 10000 молекул липида в квадратной решетке дадут 20000 возможных пар перекрывающихся центров. Аккуратное вычисление числа доступных центров связывания представляет собой основную проблему при получении правильного выражения для изотермы адсобрции.

Связывание с п лигандами

Проблему правильного подсчета перекрывающихся центров связывания можно частично решить, рассмотрев простое равновесное связывание лиганда с п молекулами фосфолипида. В этом случае образование комплекса между лигандом L и фосфолипидами Р можно представить в следующем виде:

Такой способ с успехом применялся, например, для анализа связывания Са2+ с фосфатидилхолиновым бислоем с п = 2, которое

нельзя описать с помощью простой изотермы Лэнгмюра. Получаемое в рамках такой модели уравнение показывает, что график Скэтчарда должен быть не линейным, а вогнутым.

Учет формы лиганда

Решить до конца эту задачу не удается даже с помощью приведенного выше анализа, поскольку он не учитывает форму лиганда. Если рассматривать мембрану как двумерную решетку, то для полного анализа нужно рассчитать укладку на такой плоскости крупных лигандов определенной формы, каждый из которых способен связываться с несколькими определенным образом расположенными друг относительно друга узлами решетки. Например, молекула, имеющая форму стержня, будет связываться с расположенными линейно центрами решетки. Каждая связавшаяся с решеткой молекула лиганда будет в зависимости от формы блокировать определенное число дополнительных центров связывания. Полный анализ, учитывающий как перекрывание центров связывания, так и форму лиганда, хотя и довольно сложен, был все же проделан. Такой анализ можно также распространить на лиганды, которые способны проникать внутрь мембраны и поэтому будут занимать дополнительные узлы решетки.

Основной вывод состоит в том, что формальный термодинамический анализ связывания с мембраной даже небольших молекул лиганда может оказаться весьма сложным, и часто для этого недостаточно простого применения стандартных уравнений. Как мы увидим, помимо перекрывания центров связывания, ограниченного стерическими взаимодействиями, для полного описания адсорбции на поверхности мембраны заряженных лигандов необходимо учитывать также и электростатические взаимодействия.

2. КЛАССЫ ЛИГАНДОВ, СПОСОБНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВОВАТЬ С ЛИПИДНЫМ БИСЛОЕМ

Литература, описывающая взаимодействие низкомолекулярных соединений с биологическими и модельными мембранами, чрезвычайно обширна. Для простоты разделим эти соединения в соответствии с их полярностью на следующие классы: неполярные, ам-фифильные и ионные. С учетом такой классификации кратко рассмотрим некоторые работы, посвященные взаимодействию лигандов с мембранами.

Класс I: неполярные вещества

Липидный бислой, вообще говоря, можно рассматривать как двумерную жидкость, поэтому определенный интерес представляет способность этой жидкости растворять небольшие неполярные молекулы. Такие данные весьма ценны для понимания того, как гидрофобные домены белков взаимодействуют с бислоем. В качестве примера можно привести исследование раствора гексана в диолеил-фосфатидилхолине. Вероятнее всего, в большинстве случаев такие неполярные молекулы, как гексан, локализуются в центре бислоя. Такая локализация для гексана была выявлена с помощью метода нейтронной дифракции, хотя при более высоких концентрациях гексана вполне возможны более сложные варианты взаимодействия.

Класс II: аифифильиые молекулы

Это, безусловно, наиболее обширная из исследованных группа молекул. В нее входят многие анестетики, лекарственные препараты, фармакологическая активность которых зависит от их способности взаимодействовать с мембранами. К этой категории также можно отнести целый ряд антибиотиков и другие природные соединения, в частности соли желчных кислот и жирные кислоты. Кроме того, амфифильными свойствами обладают многие используемые для изучения мембран флуоресцентные и спиновые метки. Все эти соединения имеют четко различимые полярные и неполярные части и эффективно взаимодействуют с поверхностью мембраны. Некоторые из таких амфифильных соединений при достаточно больших концентрациях действуют на мембрану как детергенты и разрушают бислой. Показано также, что некоторые амфифильные вещества даже в умеренных концентрациях оказывают на биомембраны повреждающее действие.

Анестетики

Существует много типов анестетиков -- от атомарного ксенона до сложных органических гетероциклических соединений. Вообще говоря, фармакологическая активность анестетиков хорошо коррелирует с их коэффициентом распределения в системе масло/вода. Это позволяет предположить, что механизм их действия включает в себя неспецифические взаимодействия с липидами мембран нервных клеток. Исследованию природы взаимодействия анестетиков с биологическими или модельными мембранами посвящено довольно много работ. Хотя в этих работах и было показано, что анестетики способны нарушать структуру липидного бислоя, механизм их действия до сих пор остается загадкой. Вполне вероятно, что эффект этих соединений прямо или косвенно связан с влиянием на специфические белки мембран нервных клеток. Методом

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.

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.

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 Кр задается 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:

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.

Страницы: 1, 2, 3