Зависимость наноструктуры биомембран от стабилизирующего влияния полиеновых липидов

Зависимость наноструктуры биомембран от стабилизирующего влияния полиеновых липидов

Рассмотрены наноструктурные особенности самосборки и функционирования биологических мембран в рамках конструирования высокоэффективных мембранных технологий. Проанализированы синергетические взаимодействия полиеновых молекул липидов с макромолекулами мембранных белков, вызывающие усиление стабильности наноструктуры.

Исследование принципов наноструктурной самосборки биомембран, а также процессов избирательного транспорта в живой клетке (invivo) можно рассматривать в качестве ориентира конструирования экоэффективных мембран XXI века. Разнообразие над (супра)молекулярных ассоциатов, образуемых биомолекулами, позволяет использовать такие биомиметические структуры для создания биосенсоров и разработки наномембранных технологий. Многообразие производственных и экологических проблем, способных быть разрешенными с использованием нанокомпозиционных мембран: разделение газовых токсикантов и жидких отходов, рекреация зараженных территорий и др. [1], вызывает постоянный интерес к функционированию биологических мембран.

Цель настоящей статьи — это анализ комплементарных взаимодействий полиеновых молекул липидов с макромолекулами мембранных белков, вызывающие повышение устойчивости наноструктуры биомембран.

Нативным биомембранам принадлежит ключевая роль в структурной организации живых клеток, их взаимодействии друг с другом и с окружающей средой. Природные биомембраны представляют собой естественный «надмолекулярный композит» липидов, белков и незначительного количества (1−10% от массы) углеводов в виде гликолипидов и гликопротеинов. Несмотря на то, что каждый тип природных мембран уникален по химическому составу, биомембраны построены по единой схеме [2]. Ассоциаты липидных молекул и мембранных протеиновых макромолекул образуют in vivo динамичные структуры — «нанокомпозиты» в результате нековалентных взаимодействий. Во внутриклеточной водной среде термодинамически наиболее выгодно формирование фосфолипидного бислоя приблизительной толщиной 6 нм, в которые встроены («погружены») макромолекулы белков (рис.1):

Применение компьютерного моделирования (insilico), а также экспериментальных биофизических методов (электронного парамагнитного резонанса, комбинационного рассеивания) и технологий флуоресцентных изображений доказывает, что состав и структура биомембран представляет собой постоянно модифицирующуюся систему. Мозаичная наноструктура биомембран не является строго фиксированной, что позволяет различным молекулам фосфолипидов и других компонентов при латеральной (плоскостной) диффузии формировать кластеры: микрогетерогенные участки поверхностного монослоя.

Неоднородность биомембран усиливается за счет ассоциации фосфолипидов в пределах монослоя в «домены» различного состава. В монослоях биомембраны возникают «рафты»: упорядоченные ансамбли молекул фосфолипидов. «Рафты» представляют собой наночастицы диаметром? 50−150 нм со временем существования не более 1 мин. [3]. Встраивание специфичных мембранных белков приводит к их стабилизации.

Вследствие подвижности фосфолипидов, составляющих 70−80% липидного бислоя, возможны фазовые превращения в биомембранах: т. е. взаимные переходы жидкокристаллического в гелеобразное состояние. Такие фазовые переходы зависят от температуры, присутствия в цитоплазме ионов Са²⁺. Для явлений, происходящих при взаимопревращении фаз, типичны фрактальные (самоподобные, с дробной размерностью) структуры и поэтому биологические мембраны представляет собой двухмерную мульти-фракталоподобную конструкцию [4]. Структурная динамика бислоя (фазовые переходы, поддержание асимметрии, текучесть, «флип-флоп» и др.) поддерживается межмолекулярными липид-липидными и липид-белковыми взаимодействиями.

В состав мембранных липидов наряду с фосфолипидами входят холестерин (количество сильно варьирует) и другие минорные компоненты. В эту естественную многокомпонентную «супрамолекулярную композицию» включены (вплетены) молекулы нативных антиоксидантов (витамина Е, убихинона). Полиизопреноидные цепи иногда выступают в роли липидного «якоря», с помощью которого гидрофильные фрагменты макромолекулы периферических белков и других соединений удерживаются за счет межмолекулярных гидрофобных сил на биомембране. Устойчивость биологической мембране придает и цитоскелет (трехмерная сетка белковых макромолекул фактически в виде нанокомпозитов с гликои липопротеидами), имеющие комплементарные связи с интегральными белками [5].

Липидные молекулы являются компонентом, стабилизирующим функционирование мембраносвязанных ферментов. Локализованные в биомембранах ферменты участвуют в транспорте ионов и молекул, а полиэнзимные комплексы катализируют важнейшие биохимические реакции. Существенный вклад мембранные липиды вносят в процессы адаптации клеток к экстремальным факторам среды. Изменение «микроокружения» мембранных липидов (делипидирование, воздействие энзимов и др.) ведет к снижению каталитической активности [6].

Компонентный состав бислоя биологических мембран, обращенные к внеклеточному пространству и цитоплазме, различаются по составу белков, липидов и углеводов. Асимметричность и микрогетерогенность распределения белков и липидных молекул в биомембране заложена в самой наноструктуре. Другим механизмом появления различий в составе липидов является трансмембранный перенос молекул. Наноструктуру рафтов определяют мембранные белки, в частности, в присутствие специфических протеинов образуются «кавеолы» с полостями. Кавеолы способны «импортировать» или «экспортировать» молекулы через биомембраны [7].

Рассмотрим более подробно транспортные и рецепторные функции биологических мембран. Избирательная проницаемость биомембран обеспечивает регуляцию транспорта в клетку необходимых молекул, а также удаления из внутриклеточного пространства продуктов метаболизма, т. е. гомеостаза цитоплазмы. Проникновение веществ: молекул, ионов через биологические мембраны может осуществляться разнообразными способами. По механизму градиента концентрации диффузии осуществляется трансмембранный перенос газов (О₂ и СО₂), воды и других низкомолекулярных соединений. В случае биологических мембран эритроцитов проницаемость для различных веществ может варьировать от 10^-12 до 10^-2 см²/с.

В качестве побочных продуктов метаболизма invivoмогут накапливаться активные формы кислорода, которые вызывают пероксидное окисление полиеновых липидов мембран. Ксенобитики, как и другие стрессорные воздействия могут усиливать образование реакционноспособных супероксид-радикалов. Неэнзимная защита от активных форм кислорода осуществляется с помощью антиоксидантов, ингибирующих процессы свободнорадикального окисления.

Высокомолекулярные антиоксиданты: трансферритин, церулоплазмин и др. — это белки, содержащие ионы металлов с переменной валентностью: железо, медь, кобальт. Церулоплазмин, нейтрализуя активные формы кислорода на поверхности эритроцитов, предотвращает разрушение биомембран. Ферменты супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза и др. дезактивируют радикальные микрочастицы кислорода [8].

Взаимное стабилизирующее влияние липидных и белковых компонентов биомембран проявляется и на рецепторных функциях. Расположенные в плазматической (окружающую клетку от внешней среды) мембране рецепторы воспринимают сигналы из внеклеточного пространства и преобразуют их во внутриклеточный ответ. Интегрированные в биомембраны рецепторы адгезии способствуют межклеточному узнаванию. Рецепторная функцию природных биомембран наглядно проявляется на примере механизма действия метаболитов полиеновых кислот мембранных липидов — простаноидов.

Простаноиды в качестве биорегуляторов действуют по мембранно-опосредованному механизму и индуцируют биосинтез циклического аденозинмонофосфата (ц-АМФ). Рецептор (интегральный гликопротеин) плазматической мембраны «узнает» гормональный сигнал простаноида. Простаноид, комплементарно взаимодействуя со специфическим рецептором биомембраны, изменяет его супрамолекулярную конформацию. При этом происходит диссоциация комплекса: протеина стимулятора аденилатциклазы (G_st-белок) с гуанозиндифосфатом [(G_st-белок)-ГДФ]. Тример G_st-белокраспадается на в, г-димер и б-субъединицу. К б-субъединице присоединяется ГТФ и этот комплекс активирует энзим аденилатциклазу. Активизированная аденилатциклаза осуществляет биосинтез из АТФ ц-АМФ.

В цитоплазме ц-АМФ (внутриклеточный вторичный посредник) взаимодействует ферментом протеинкиназой и активируют субъединицы энзима. Протеинкиназа осуществляет фосфорилирование белков-ферментов, что вызывает усиление метаболических реакций. Таким образом, активные G-белки, модифицируя функционирование определенных ферментов и каналов биомембраны, модулируют внутриклеточные процессы в качестве физиологического ответа на действие молекул простаноидов.

В работе [9] был предложен оригинальный подход синтеза устойчивых аналогов левугландинов. Такие инновационные циклоаналоги можно рассматривать в качестве своеобразной «транспортной» формы «доставки» реакционноспособных левугландинов до рецепторов биомембран. Следовательно, основные циклы взаимодействия простаноидных молекул с биомембранами связаны с узнаванием и трансформацией гормонального сигнала наноструктурой плазматической мембраны.

Таким образом, изучение биохимических процессов, протекающих при самосборке и функционировании биомембран, является инновационным направлением в разработке наномембранных технологий. Мембранные технологии разделения и очистки используются в энергетике, разных отраслях промышленности. Компьютерное моделирование (insilico) является эффективным методом при дизайне нанокомпозитов с широким спектром требуемых характеристик.

Перспективные «интеллектуальные» наноструктуры востребованы при создании многофункциональных материалов, используемых в качестве оболочек лекарственных средств, при кондиционировании воздуха в космических кораблях и др. Взаимовлияние полиеновых фрагментов молекул липидов с макромолекулами мембранных белков вызывают усиление стабильности наноструктуры биомембран. Рациональное использование мембранных технологий уменьшает антропогенную нагрузку промышленности на окружающий ландшафт и служит одним из инновационных методов безотходных производств.

• 1. Свитцов А. А.

  Введение

  в мембранные технологии. — М.: ДеЛи принт, 2007. — 280 с.

• 2. Зайцев С. Ю. Супрамолекулярные наноразмерные системы на границе раздела фаз: Концепции и перспективы для бионанотехнологий. — М.: ЛЕНАНД, 2010. — 208 с.
• 3. Pike L.J. Lipid rafts: bringing order to chaos // J. Lipid Res. — 2003. — V. 44. — N. 4. — P.655−667.
• 4. Халиков Р. М., Машуков Н. И. Особенности стабилизации природных и синтетических молекулярных структур. — Нальчик, 2010. — 149 с.
• 5. Родионова Н. Н., Браже Н. А., Даринская Е. В. и др. Изучение белок-липидных взаимодействий в мембранах миелинового нервного волокна при действии оксида азота // Биологические мембраны. — 2009. — Т.26. — № 3. — С.217−223.
• 6. Шамратова В. Г. Основы мембранологии. — Уфа: РИО БашГУ, 2005. — 96 с.
• 7. 7. Zajchowski L.D., Robbins S.M. Lipids rafts and little caves. Compartmentalized signaling in membrane microdomains // Eur. J. Biochem. — 2002. — V. 269. — N. 4. — P.737−752.
• 8. Чеснокова Н. П., Понукалина Е. В., Бизенкова М. Н. Молекулярно-клеточные механизмы инактивации свободных радикалов в биологических системах // Успехи современного естествознания. — 2006. — № 7. — С. 29−36.
• 9. Халиков Р. М. Комплементарные взаимодействия левугландиновых метаболитов полиеновых кислот и токоферолов биомембран // Тез. докл. VIII Междунар. конф. «Биоантиоксидант». — М.: ИБХФ, 2010. — С.489−490. 2014 © Халиков Р.М.