Температурный фазовый переход мембранных липидов

Замораживание липидного бислоя в результате фазового перехода из жидкокристаллического состояния в гель сопровождается появлением липидных пор [2]. Очевидно, что, как и в случае с электрическим пробоем, судьбу мембраны будет определять соотношение радиусов образовавшихся пор и критических пор для данного состояния бислоя.

Необходимые для обсуждения экспериментальные данные были получены в лаборатории автора [2]. Опыты проводили на плоских бислойных липидных мембранах (БЛМ) в условиях фиксации напряжения. БЛМ формировались из динасыщенных синтетических и природных фосфолипидов, имеющих температуру фазового перехода указанного типа в области 40−60?С. Регистрировались флуктуации тока, появление которых указывало на рождение пор (рис. 4). На рис. 4 видно, что исходно флуктуации тока отсутствуют и регистрируется только шум. Достижение температуры, соответствующей температуре основного фазового перехода (ТФП) липида, сопровождается появлением отдельных флуктуаций тока с длительностью ~1 с. Слева на рисунке представлены реализации флуктуаций тока, справа — соответствующие гистограммы распределения по электрической проводимости. На рисунке показаны характерные записи флуктуаций тока для четырех индивидуальных фосфолипидов с различными температурами фазового перехода. Сопоставление реализаций тока и гистограмм показывает их однотипность для изученных фосфолипидов. Предполагая, что каждый скачок тока соответствует одиночной поре в открытом состоянии, можно по проводимости рассчитать радиус поры.

Фазовый переход в БЛМ осуществлялся при малых мембранных потенциалах порядка 0,05 В. Как видно на рис. 3, при таких напряжениях вкладом электрического поля в дестабилизацию мембран можно пренебречь. В соответствии с формулой (2) единственной причиной уменьшения критического радиуса поры могло стать либо уменьшение в результате фазового перехода g, либо увеличение s. Считается, что g является величиной, мало зависящей от фазового перехода. Речь таким образом может идти только об определении величины поверхностного натяжения бислоя для двух фазовых состояний. Оказалось, что замораживание бислоя приводит к росту поверхностного натяжения для всех изученных липидов.

Как следует, критический радиус поры в гель-состоянии значительно меньше по сравнению с жидкокристаллическим состоянием и по абсолютной величине не превышает 2 нм. Сохранение длительной устойчивости липидного бислоя в гель-состоянии свидетельствует о том, что существующие поры и поры, возникающие при фазовом переходе, имеют размеры меньше 2 нм. Сравнение демонстрирует высокую эффективность метода температурной обработки бислойных липидных мембран с целью получения популяции липидных пор сравнительно с электрическим пробоем. Действительно, замораживание мембранных липидов в ходе фазового перехода, что для многих динасыщенных липидов происходит при комнатной температуре, эквивалентно электрическому пробою мембраны внешним электрическим полем напряжением 0,5 В. В то же время очевидно, что электрические воздействия более удобны с точки зрения калибровки силы воздействия и его длительности.

Обобщая приведенные данные, можно утверждать, что любое воздействие механической, физической или химической природы, затрагивающее поверхностное натяжение липидного бислоя, является фактором риска в стабилизации порсодержащих мембран. Развитие такого подхода позволяет получить количественный ответ на важный для биологии вопрос о вероятности разрушения или залечивания мембран при типичных стрессовых состояниях живой клетки.

Показано, что критический радиус пор в мембранах, находящихся в жидкокристаллическом состоянии при отсутствии внешних воздействий, достигает 9 нм. Эта величина настолько значительна, что вероятность механического разрыва клеточных мембран в физиологических условиях очень мала. Разрыв мембраны, находящейся в таком состоянии, возможен лишь тогда, когда пора приобретает размеры, соизмеримые с толщиной мембраны. Опыт показывает, что полное разрушение липидного бислоя возможно лишь при грубых механических манипуляциях или необратимом электрическом пробое.

Важный практический вывод состоит в том, что, опираясь на данные о критических радиусах пор, можно предсказать судьбу клеточных мембран в различных стрессовых состояниях.

Первый вывод, который можно сделать, заключается в том, что реальные поры во всех случаях меньше критического размера пор, характерного для жидкокристаллического состояния мембранных липидов. Действительно, размеры критических пор для липидного бислоя в жидкокристаллическом состоянии (9 нм) значительно превышают размеры реальных пор, указанные в левом столбце. Таким образом, мембраны в различных стрессовых состояниях обладают значительным запасом прочности. Второй вывод: действие электрического пробоя и замораживания бислоя, как видно в последней строке, аддитивно. Такого результата можно ожидать, следовательно, и при других сочетаниях физических и химических воздействий. Стрессовое воздействие таким образом независимо от его физико-химической природы может быть количественно оценено, и его результат предсказан в рамках рассматриваемой модели. Третий вывод касается частного случая гемолиза эритроцитов. Ранее было показано, что критический радиус поры в липидном бислое при температурном фазовом переходе (см. рис. 5) достигает 2 нм, что совпадает с радиусом пор эритроцита при осмотическом гемолизе. Этот результат может объяснить известный в криобиологии факт гемолиза эритроцитов при оттаивании замороженных клеток в изотонических условиях. Из табл. 1, кроме того, следует, что простое замораживание мембранных липидов может привести к гемолизу. Помимо криобиологии фазовый переход мембранных липидов играет важную роль в холодоустойчивости растений [2].