Липидный бислой и небислойные структуры в организации и функционировании биологических мембран

Актуальность проблемы.

Природные липиды способны образовывать разнообразные структуры в зависимости от pH, ионной силы, температуры и других факторов (Gruner S.M. и др., 1985) (Tilcock С.Р., 1986;Gruner S.M., 1985;Hyde S.T. и др., 1997;Lewis R.N.A. и др., 1997;Luzzati V. и др., 1993;Luzzati V., 1997;Luzzati V., 1997;Cribier S. и др., 1993). При этом липидный бислой, наиболее хорошо изученная составляющая биологических мембран, является лишь одной из известных фаз — а именно, ламеллярной фазой, наиболее полно отражающей наши представления о барьерных свойствах мембран. Однако все разнообразие функций биологических мембран связано с процессами временного и локального разрушения-восстановления бислоя в таких явлениях, как: трансмембранный перенос метаболитов, секреция белков, обмен генетической информацией между клетками, внутриклеточная доставка различных компонентов, эндоцитоз и экзоцитоз, клеточное деление, слияние клеток, бактериальная инвазия, вирусная инфекция и многие другие. Все эти процессы сопровождаются разнообразными видами межмембранного взаимодействия и слияния мембран при которых происходят изменения фазового состояния липидов. Такие кооперативные структурные перестройки в мембранах называются фазовыми переходами (Ивков В.Г., Берестовский Г. Н., 1982).

Два обширных и сильно отличающихся по физической природе типа фазовых переходов липидов привлекают особое внимание исследователей. Во-первых, это процессы плавления липидов, способные вызывать разделение твёрдых и жидких фаз, приводящее к латеральной сегрегации компонентов в плоскости мембраны. Во-вторых, это полиморфные фазовые переходы липидов, в результате которых могут образовываться такие небислойные структуры, как кубические или гексагональные фазы. Биологическое значение обоих явлений чрезвычайно велико. В живых клетках гомеостатически поддерживается такой состав липидов, при котором, в интервале температур, характерных для жизнедеятельности данного организма, липиды находятся в расплавленном состоянии, при этом существует возможность возникновения полиморфных фазовых переходов (Albers S.V. и др., 2000;Epand R.M., 1990;Epand R.M., 1998;Cullis P.R. и др., 1986;De Kruijff В и др., 1985;de Kruijff, 1997;Raetz C.R., 1978).

В последние годы интерес к исследованию свойств липидов особенно возрос в связи с широким использованием липосомальных препаратов в медицине и, прежде всего, в генной терапии (Гинтер Е.К., 2000;Горбунова В. Н., Баранов B.C., 1997;Марголис Л. Б., Бергельсон Л. Д., 1986;Hug P., Sleight R.G., 1991;Lasic D.D., Templeton N.S., 1996;Fe!gner P.L. и др., 1987;Lasic D.D., 1997;Engstrom и др., 1999;Lasic D.D., 1997;Hairison G.S. и др., 1995). Возникла практическая необходимость создания липосом, содержащих генетический материал или лекарственные вещества и способных активно и избирательно взаимодействовать с поверхностью определённых клеток-мишеней, проникать в цитоплазму и там освобождать биологически активный агент. Создание молекулярных машин, способных выполнять столь сложные и многостадийные операции, моделирующие явления живой природы, невозможно без глубокого и всестороннего изучения всего разнообразия физико-химических свойств липидов, которые, наряду с белками, полинуклеотидами и полисахаридами являются венцом биологической эволюции молекул.

Цели и задачи исследования.

Целью представленной работы было изучение структурной организации различных фаз липидов, как в модельных системах, так и в живой клетке. Мы ставили следующие задачи исследования фазового поведения модельных систем:

Роль электростатических взаимодействий в регуляции полиморфного поведения липидов.

• Влияние больших амфипатических молекул, например молекулы хлорофилла, на полиморфное поведение различных липидов.

Роль процессов перекисного окисления липидов в регуляции фазового поведения мембран. Структурные изменения в комплексах цитохром с — кардиолипин.

• Физико-химические свойства комплексов белков или ДНК с различными липидами.

Закономерности, обнаруженные в модельных системах, были рассмотрены также на примере клеточных мембран. При этом ставились задачи исследовать:

Структуру и динамику изменений межмембранных контактов в зонах адгезии внешней и внутренней мембран грамотрицательных бактерий.

Влияние двухвалентных катионов на полиморфизм мембран грамотрицательных бактерий и проникновение ДНК в цитоплазму.

Роль мембранных процессов в инфекции клеток Escherichia coli фагом Т4.

Научная новизна.

Впервые обнаружена возможность контроля полиморфного поведения липидов основанная на регуляции электростатических взаимодействий между противоположно заряженными полярными головами молекул. Было показано, что, изменяя соотношение зарядов липида, мы можем получать определённые полиморфные кубические или гексагональные фазы.

Впервые показано, что амфипатические молекулы, имеющие большой объем в полярной области, например молекулы хлорофилла, способны инициировать полиморфные переходы липидов благодаря изменению соотношения размеров полярной и гидрофобной поверхностей мембраны.

Проведен анализ влияния перекисного окисления липидов на фазовое состояние и структурную организацию мембран, образованных кардиолипином и цитохромом с. Показано, что наблюдаемые структурные изменения мембран связаны с образованием олигомеров белка и продуктов перекисного окисления липидов.

Впервые обнаружено стабилизирующее воздействие катионных липидов, используемых в генной терапии, на молекулу ДНК. Благодаря формированию специфической мультиламеллярной фазы ДНК-липидного комплекса, в которой молекула ДНК оказывается «зажатой» между мембранами, температура плавления ДНК повышается до 105−115*С.

Проведен детальный анализ структурных изменений мембран в условиях трансформации клеток грамотрицательных бактерий экзогенной ДНК. Показано сходство механизмов полиморфных изменений мембран бактерий, ответственных за трансмембранный перенос ДНК, и полиморфизма липидов, наблюдаемого в модельных системах.

Исследованы структурные изменения мембран Escherichia coli при инфицировании бактериофагом Т4. Впервые показана роль межмембранных взаимодействий и процессов слияния мембран в инфицировании бактериальных клеток. Обнаружена специфическая структура, названная «тоннелем», ответственная за перенос молекулы ДНК через мембраны бактериальной клетки.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Первые живые клетки появились, вероятно, с того момента, когда некий прототип биологической мембраны отделил сгусток живой материи — прототип цитоплазмы — от окружающей среды. Очевидно, что полное отделение, неминуемо, привело бы к гибели проорганизма, поскольку обмен веществом и энергией с окружающей средой является одним из важнейших атрибутов живого. Поэтому важнейшим атрибутом клеточной мембраны является способность к избирательному переносу веществ через барьер, который мембрана воздвигает между цитоплазмой и окружающей средой.

Мембраны современных организмов образованы липидами, способными спонтанно образовывать бислой — основной структурный компонент мембран. Открытие этой способности дало толчок для исследований искусственных мембран и липосом (Bangham A.D., 1995). Было обнаружено, что некоторые из наиболее фундаментальных свойств мембраны, необходимые для ее функционирования в живой клетке, присущи самим липидам, тогда как участие мембранных белков, по всей видимости, относится к регулированию этих процессов, приданию им избирательности и необратимости, что требует использования энергии. Кроме того, липосомы, образуемые мембранными липидами, привлекают все больший интерес в различных областях медицины и техники. Большое разнообразие липидов и сложность их поведения делают липосомы чрезвычайно ценным материалом для использования в практических целях.

выводы.

1. На модельных мембранных системах и мембранах живых клеток исследованы различные проявления и биологическое значение фазовых переходов и полиморфизма липидов. Показана высокая степень сходства структурных изменений, наблюдаемых как в моделях, так и в клетках. Это свидетельствует о единстве физико-химических процессов, лежащих в основе этих явлений.

2. Закономерное чередование полиморфных фаз в зависимости от соотношения зарядов мембраны обнаружено в смеси анионного фосфолипида кардиолипина и катионного фосфолипида этилфосфатидилхолина. Раздельно эти липиды образуют только ламеллярную фазу, тогда как смесь липидов образует различные полиморфные структуры: губчатую, кубическую и гексагональную фазы. Предполагается, что взаимодействие зарядов определяет степень упаковки полярных головок липидов и влияет на их полиморфное поведение.

3. Обнаружено, что хлорофилл способен индуцировать полиморфные фазовые переходы липидов хлоропластов. Показано, что в комплексе с липидами хлоропластов хлорофилл способствует появлению межмембранных контактов, слиянию мембран и образованию кубической и гексагональной Ни фаз. Наблюдаемые структурные изменения, по-видимому, связаны с тем, что объемное порфириновое кольцо хлорофилла, находящееся в периферических областях бислоя, нарушает упаковку полярных головок липидов.

4. Перекисное окисление липидов способно существенно влиять на структурную организацию мембран. Нами было показано, что в протеолипосомах из смеси кардиолипина, лецитина, и цитохрома с при повышенной температуре образуются высокомолекулярные комплексы олигомеров белка и продуктов перекисного окисления липидов. Такие комплексы способны образовывать мицеллы внутри бислоя. При дальнейшем увеличении степени окисления мембраны разрушаются и мицеллярные структуры появляются в растворе.

5. Установлено, что при взаимодействии делипидизированного бактериородопсина с липидами, выделенными из пурпурных мембран (соотношении липид/белок 0,33/1), образуются гексагональная решетка, аналогичная нативным пурпурным мембранам, тогда как при реконструкции этого белка с фосфатидилхолином и при наличии высокой концентрации NaCI, образуется орторомбическая решетка. Предложенная нами гипотеза дает объяснение данного явления на основе процессов фазового разделения белков в мембране.

6. Обнаружено, что молекула ДНК в присутствии катионов кальция способна взаимодействовать с природными и синтетическими фосфатидилхолинами, существенно влияя на их фазовое поведение. Возрастает температура плавления синтетического фосфолипида DPPC, исчезает предпереход, существенно расширяются температурные пределы существования «риппл» фазы. В сходных условиях природный фосфатидилхолин приобретает способность к формированию трубчатых структур гексагональной фазы, внутри которых может быть заключена молекула ДНК.

7. Показано, что в комплексах с катионными липидами образуется термостабильная форма ДНК, денатурирующая гтри температурах в интервале 105−115°С. На основе литературных и собственных данных предполагается, что обнаруженное нами явление связано с формированием специфической фазы, в которой многочисленные бислойные структуры липида чередуются со слоями ориентированных нитей ДНК.

8. Показано, что двухвалентные катионы Са2+ и Ва2+ способны индуцировать формирование в мембранах грамотрицательных бактерий Escherichia coli и Pseudomonas putida полиморфные фазовые переходы в условиях, обычно используемых для трансфекции этих клеток. Предполагается наличие непосредственной связи между наблюдаемыми нами нарушениями целостности мембран, связанными с полиморфизмом липидов и возможностью переноса экзогенной ДНК в цитоплазму.

9. Обнаружено, что фаг Т4 вызывает слияние внешней и внутренней мембран клеток Escherichia coli, в результате чего образуется специфическая структура «тоннеля», через который ДНК может попадать в цитоплазму. Процессы слияния мембран сопровождают также лизис клеток, индуцируемый фагом Т4. Наблюдаемые нами структурные изменения мембран бактериальной клетки свидетельствуют о наличии нескольких стадий взаимодействия и слияния мембран, типичных для полиморфных фазовых переходов.

10. Сходные изменения структуры клеточных мембран, обусловленные единством механизмов фазовых переходов бислоя, наблюдаются в таких различных процессах, как действие двухвалентных катионов металлов или повышенного осмотического давления на мембрану бактериальной клетки, или инфицирование бактериальных клеток фагами, или адсорбция катионных липосом на поверхность эритроцита. Во всех перечисленных случаях происходит изменение кривизны бислоя, образование межмембранных контактов, сегрегация компонентов в плоскости мембраны и, наконец, слияние мембран.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе приводятся экспериментальные данные, свидетельствующие о единстве механизмов и сходстве структурных проявлений фазовых переходов липидов в искусственных мембранах и живой клетке. Можно предположить, что в процессе эволюции способы использования клеткой сложных и разнообразных структурных перестроек липидов совершенствовались, что позволяло обеспечивать ее физиологические отправления. Различные фазы липидов, такие как бислой, кубические и, возможно, гексагональные фазы стали неотъемлемыми элементами конструкции клеток.

Каждой из перечисленных выше фаз отводится определенная роль в процессах жизнедеятельности. Плоский или незначительно искривленный бислой выполняет функции барьера, отделяющего клетку от окружающей среды, а у эукариотических клеток разграничивающий также различные компартменты цитоплазмы. Однако все разнообразие транспортных функций, необходимое для обмена внутриклеточного содержимого с окружающей средой, осуществляется благодаря возникновению специфических и весьма избирательных дефектов этого барьера, которые обычно называются каналами, переносчиками, порами и туннелями. К числу указанных явлений, связанных с нарушениями барьерных свойств мембран и транспортом веществ, можно отнести также слияние мембран, происходящее при экзои эндоцитозе, делении клеток, секреции и многих других процессах, которые, в соответствии с представлениями большинства исследователей, существуют исключительно благодаря функционированию белков. Приведенные в данном исследовании факты свидетельствуют о возможности и необходимости участия липидов в структурных перестройках мембраны. Липиды можно рассматривать не только как активную среду, обеспечивающую необходимые условия для функционирования белков, но и как непосредственного участника разнообразных процессов, направляемых белками и модулируемых другими мембранно-активными молекулярными компонентами клетки. Эти процессы, наблюдаемые в искусственных системах как фазовые переходы, могут развиваться в клетке в весьма ограниченных, локальных участках, что существенно затрудняет их исследование. Поэтому для нас особый интерес представляет отыскание пока что немногочисленных примеров специфических структур, образованных липидами в процессах жизнедеятельности. Наши исследования показывают, что, как в искусственных мембранах, так и в живой клетке преобразования структуры бислоя осуществляются благодаря коллективному поведению липидных, белковых и других компонентов бислоя, в которое могут вовлекаться также соседние мембраны благодаря формированию контактов между ними и слиянию. Исследование этих процессов имеет большое практическое значение и находит все большее применение при создании липосомальных препаратов в медицине, или при создании биосенсоров, мембранных фильтров, сорбентов и микрочипов в технике.