Искусственные липидные мембран.

Липосомы. При набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании их раствора в воду происходит происходит самосборка молекул и образование фосфолипидных везикул – липосом. При этом неполярные хвосты молекул находятся внутри би- и или полимолекулярных слоев и не соприкасаются с водой. Обычно получаются многослойные липосомы, т.е. состоящие из нескольких бимолекулярных слоев. В таких структурах, отдельные бимолекулярные слои отделены друг от друга слоями воды. Толщина билипидных слоев в многослйных липосомах составляет 6,5 – 7,5 нм, водных слоев - 1,5 – 2 нм. Диаметр многослойных липосом может достигать до 400 -500 нм. Для получения однослойных липосом суспензию многослойных липосом обрабатывают ультразвуком. Диаметр таких структур составляет 25-30 нм. Современные методы позволяют получит однослойные липосомы большего диаметра, до 500 нм. Такие структуры можно рассматривать как прототипы клеток, а билипидный слой – как модель мембраны для исследований различных свойств клеточных мембран. Другой тип искусственных мембран, используемых в качестве модельных систем – плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ). Такие мембраны получают на маленьких отверстиях диаметром 1 мм, проделанных на фторопластовых пластинах.

Рис.4. Схема строения однослойной липосомы (Антонов, 28 с)

На отверстие пластины, погруженного в воду, наносят каплю раствора липидов, растворенных в неполярном растворителе (спирты, хлороформ, ацетон). Растворитель диффундирует в воду и на отверстии образуется липидная пленка. Она спонтанно утончается до бимолекулярного слоя. БЛМ (наряду с липосомами) широко используются в качестве модельных систем для изучения проницаемости , электрических свойств мембран, мембранного транспорта и других свойств и функций мембран. современные методики позволяют вводить в состав БЛМ молекулы белков и конструировать модели биологических мембран, выполняющих разнообразные функции.

Транспорт веществ через биологические мембраны

Осуществление транспорта вещества и энергии через биологические мембраны является необходимым условием функционирования любой клетки. С переносом вещества через мембраны связаны все процессы метаболизма клетки, биоэнергетические процессы, образование биопотенциалов, в т.ч. генерация и передача нервного импульса и другие процессы.

Принято различать следующие типы мембранного транспорта.

1. Пассивный транспорт нейтральных молекул (неэлектролитов) и ионов через мембрану. Перенос неэлектролитов обусловлен градиентом химического потенциала, а ионов - градиентом электрохимического потенциала. Пассивный транспорт через липидный бислой может осуществ­ляться путем диффузии или по механизму облегченной диффузии. Для разбавленного раствора вещества концентрации с химический потен­циал  ( свободная энергия Гиббса на один моль вещества) определяется как:

 = ₀ + RT lnc

где ₀- стандартный химический потенциал (химический потенциал при концентрации вещества 1 моль л^-1).

Электрохимический потенциал ₀ - величина, численно равная свободной энергии Гиббса G на один моль вещества, помещенного в электрическое поле

 = ₀ + RT lnc + ZFφ,

где Z – заряд иона, F –число Фарадея, φ - потенциал электрического поля, Т- температура.

Пассивный транспорт молекул и ионов идет с уменьшением величин хими­ческого и электрохимического потенциалов, т.е. с понижением энергии Гиббса (dG  0 ). Как известно, такие процессы происходят самопроизвольно, не требуют за­траты энергии.

2. Активный транспорт - перенос неэлектролитов химического и ионов против градиента химического или электрического потенциала. Этот вид транспорта требует затраты энер­гии и происходит с повышением свободной энергии Гиббса (dG 0 ).

Таким образом, является ли транспорт активным или пассивным зависит от изме­нения свободной энергии транспортируемых веществ (dG ). Если dG - положительная ве­личина, то транспорт активный, если dG - отрицательная величина, имеет место пассив­ный транспорт.

При транспорте заряженных веществ (ионов) dG имеет вид

Z - заряд ионов, F- число Фарадея,  - трансмембранная разность потенц иалов.

3. Транспорт, сопряженный с изменением архитектуры мембран - экзо и эндоцитоз.