Как показывают экспериментальные и теоретические данные, ориентированные диполи на поверхности мембраны создают в центре фосфолипидного бислоя потенциал, равный примерно 240 мВ, положительный внутри. Это эквивалентно вкладу в свободную энергию 5,5 ккал/моль, положительному для катионов и отрицательному для анионов. Полярные фосфохолиновые головки ориентированы параллельно плоскости мембраны и не должны ни при каких условиях образовывать диполи, направленные положительным концом внутрь мембраны, поскольку для этого положительно заряженный остаток холина должен располагаться ближе к центру бислоя, чем отрицательно заряженный фосфат. Вероятнее всего, внутренние диполи связаны с ориентированными карбонильными группами эфирных связей фосфолипидных молекул. Влияние этого потенциала на профиль потенциальной энергии, по-видимому, ограничивается лишь внутренней частью мембраны и проиллюстрировано на рис. 7.4.
При транспорте ионов небольшого размера, например Na+ и О ", это приводит к тому, что высота энергетического барьера для транспорта анионов через бислой оказывается несколько меньшей, чем для транспорта катионов. Тем не менее, для небольших ионов любого заряда этот барьер остается достаточно высоким, а результирующие коэффициенты проницаемости через бислой -- очень малыми.
Все сказанное не распространяется на такие гидрофобные ионы, как ТФФ+ и ТФБ~. У этих ионов заряд окружен неполярными группами, и благодаря вкладу гидрофобной компоненты в суммарное изменение свободной энергии коэффициент распределения для этих ионов сильно сдвинут в пользу мембраны. Гидрофоб-ность окружения позволяет скомпенсировать большую часть электростатической энергии. Кроме того, сама энергия Борна для этих ионов меньше из-за их относительно больших размеров. Профиль свободной энергии для гидрофобных ионов также показан на рис. 7.4. Как видно из этих данных, гидрофобная компонента свободной энергии для обоих ионов составляет около - 7 ккал/моль, а взаимодействие с внутренними диполями приво-
дит к стабилизации гидрофобных анионов в бислое. Обратите внимание на минимумы в профиле потенциальной энергии, соответствующие связыванию гидрофобных анионов вблизи поверхности мембраны -- в той области, где локализуются эфирные группы фосфолипидов.
В результате влияния потенциала внутренних диполей гидрофобные анионы значительно прочнее связываются с бислоем и легче проникают через мембрану, чем гидрофобные катионы, имеющие очень близкую структуру: коэффициенты проницаемости для них различаются на шесть порядков, а константы связывания с бислоем -- на четыре-пять порядков.
При связывании некоторых гидрофобных ионов с фосфатидилхолиновым бислоем наблюдается насыщение при концентрации ионов ~ 1 молекула на 100 молекул ли-пида. Это обусловливается электростатическим отталкиванием за счет поверхностного потенциала, образующегося при связывании ионов с поверхностью бислоя.
3.3. ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ МЕМБРАНЫ
Поверхность большинства биомембран отрицательно заряжена в основном благодаря присутствию кислых фосфолипидов: обычно 10--20% мембранных липидов находятся в форме анионов. Отрицательным зарядом обладают и другие мембранные компоненты, например ганглиозиды или белки. Так, суммарный отрицательный заряд мембран тилакоидов в основном обусловлен белками. Отрицательно заряженные группы, например фосфатные или карбоксильные, фиксированы на поверхности мембраны, и, естественно, их заряд нейтрализуется Противоионами. Однако противоионы подвижны, а не закреплены жестко на поверхности мембраны; их концентрация меняется в объеме водной фазы таким образом, что устанавливается определенный баланс между стремлением ионов к равномерному распределению по объему вследствие энтропийного фактора и электростатическим притяжением к поверхностным зарядам. В результате противоионы локализуются не на самой поверхности мембраны, а на некотором расстоянии от нее, создавая так называемый двойной диффузионный слой. С физической точки зрения он представляет собой поверхность мембраны с фиксированной плотностью зарядов и диффузное облако противоионов вблизи нее. Электрический потенциал в околомембранном слое раствора является функцией поверхностной плотности заряда, а также концентрации и валентности иоиов в растворе. Наличие поверхностного потенциала приводит к ряду важных последствий, которые можно проверить экспериментально и объяснить с помощью довольно несложных теоретических построений. Мы не будем останавливаться на выводе соответствующих соотношений, а сконцентрируем свое внимание на тех последствиях, к которым приводит существование фиксированных зарядов на поверхности мембраны.
В теоретическом плане задача состоит в определении величины электрической потенциальной энергии как функции расстояния от поверхности мембраны. После нахождения этой зависимости можно вычислить локальную концентрацию любого иона и количественно описать любое связанное с поверхностным потенциалом явление, например электрофоретическую подвижность везикул или электростатическое притяжение между двумя соседними мембранами. Соответствующая теория разработана в начале века Пои и Чапменом, а позднее, в 20-х гг., дополнена Штерном. Эта теория, получившая название теории Пои--Чампена или Пои--Чапмена-- Штерна, весьма успешно описывает связанные с заряженной мембраной электростатические эффекты.
В основу теории Гюи--Чапмена положены четыре предположения: 1) заряды равномерно распределены по поверхности мембраны; 2) ионы в растворе являются простыми точечными зарядами пренебрежимо малых размеров; 3) так называемые эффекты отображения -- притяжение подвижных ионов при приближении к поверхности диэлектрика -- считаются пренебрежимо малыми; 4) диэлектрическая проницаемость водной фазы считается величиной постоянной, одинаковой на поверхности мембраны и в объеме раствора. Каждое из этих предположений было проверено экспериментально и показано, что все они вполне разумны. Дополнение Штерна учитывает размеры связанных с поверхностью противоионов, что дает верхний предел числа ионов, которые физически могут связаться с мембраной.
Теоретические предсказания удобнее всего проиллюстрировать графически. На рис. 5 приведен профиль электрического потенциала в среде, содержащей соль одновалентных металлов в концентрации 0,1 М при разной поверхностной плотности заряда. Один заряд на 300 А2 соответствует примерно 20 мол.% отрицательно заряженного фосфолипида, а один заряд на 60 А2 -- би-слою из чисто отрицательного заряженного липида. Как можно видеть из рисунка, электростатические эффекты распространяются на довольно значительные расстояния от поверхности мембраны. Потенциал на поверхности мембраны называется поверхностным, ¦о, и, очевидно, является функцией поверхностной плотности заряда. Рис. 7.5 иллюстрирует также влияние увеличения концентрации соли одновалентного металла в растворе. При высоких концентрациях соли электростатические эффекты в значительной мере нивелируются. При этом наблюдается уменьшение как поверхност-
ного потенциала, так и эффективного расстояния, на которое простирается двойной электрически слой. Как следует из теории, для двухвалентных ионов экранирующий эффект выражен еще сильнее: влияние на поверхностный потенциал мембраны двухвалентных катионов, например Са2+, проявляется при значительно меньших концентрациях, чем одновалентных. Эффекты, которые иллюстрирует рис. 7.6, не связаны с сорбцией ионов на поверхности мембраны, а обусловлены только экранированием. Наблюдаемое же довольно часто связывание двухвалентных катионов с заряженными группами на поверхности мембраны приводит к еще более выраженному уменьшению поверхностного потенциала.
Рис. 7 иллюстрирует влияние электрического потенциала на распределение анионов и катионов в растворе. Локальную концентрацию любого иона при известном электрическом потенциале несложно найти с помощью уравнения Больцмана:
где С и if -- концентрация иона и электрический потенциал на расстоянии х от поверхности мембраны, С -- концентрация иона на бесконечном расстоянии от поверхности, Z-- валентность иона, F-- постоянная Фарадея. Потенциал 60 мВ при 25 °С соответствует примерно десятикратному изменению концентрации иона. Отметим еще раз, что значительное влияние на концентрационный профиль оказывает входящий в показатель экспоненты заряд иона Z.
С влиянием поверхностного потенциала связывают целый ряд самых разнообразных наблюдаемых в эксперименте эффектов. Можно считать экспериментально доказанным, что под влиянием поверхностного мембранного потенциала ¦о концентрация ионов в околомембранном слое изменяется в соответствии с теорией Гюи--Чапмена. Это касается протонов, ионов металлов и органических ионов.
Локальное значение рН на поверхности мембраны
Концентрация ионов вблизи отрицательно заряженной поверхности мембраны выше, чем концентрация в объеме, которую измеряют с помощью рН-метра. Поэтому кажущееся значение рКа любой группы на поверхности отличается от истинного рКл. Это касается, в частности, и титруемых групп самих фосфолипидов. На рис. 7.8 приведены кривые титрования карбоксильных групп
фосфатидилсерина, включенного в фосфатидилхолиновые везикулы. Кажущееся рКл составляет 4,7 при 10 мМ NaCl и 3,9 при 100 мМ NaCl. Это различие обусловлено не изменением истинного значения рКл этой группы, а увеличением концентрации Н + на поверхности мембраны при низкой ионной силе из-за увеличения if о- Истинное значение рКл по оценкам должно составлять 3,6, а зависимость рКл от концентрации ионов очень хорошо описывается теорией Гюи-- Чапмена. Локальное значение рН вычисляли по уравнению, приняв х = 0. Близкие результаты были получены с использованием помещенных на поверхность мембраны рН-индикаторов. Было показано, что значение локального околомембранного рН отличается от рН в объеме на величину, предсказываемую теорией Гюи--Чапмена.
Истинное и кажущееся значения рКа группы на поверхности мембраны
Константа диссоциации рКл для протонирования группы на поверхности мембраны определяется следующим образом:
Связывание ионов металлов
Физиологическая значимость взаимодействия фосфолипидов с ионами металлов, в частности с Са2+, не вызывает сомнений, и таким взаимодействиям было посвящено значительное число исследований. Для ответа на вопрос о том, как ионы металлов связываются с фосфолипидным бислоем и изменяют структуру мембраны, был привлечен целый ряд экспериментальных методов, в частности калориметрия, рамановская и инфракрасная спектроскопия, дифракция нейтронов и рентгеновских лучей, 31Р-ЯМР и 2Н-ЯМР. В табл. 2 приведены истинные константы диссоциации для некоторых катионов металлов, связанных с кислыми или цвиттерионными липидами. Некоторые из этих величин получали, регистрируя изменение поверхностного потенциала при связывании ионов металлов с фосфолипидными везикулами. Связывание катионов приводит к уменьшению плотности отрицательных зарядов в случае кислых фосфолипидов либо к увеличению плотности положительных зарядов в случае везикул из цвиттерионных липидов. И в той и в другой системах для анализа данных применима теория Гюи--Чапме-на. Истинные константы связывания рассчитывали, исходя из концентрации свободных ионов вблизи поверхности мембраны, которая в свою очередь зависит от поверхностного потенциала, а саму константу диссоциации определяли из уравнения, аналогичного. Здесь стоит остановиться на нескольких моментах.
Одновалентные ионы, например натрий, действительно свя-зываюется с кислыми фосфолипидами, но с низким сродством.
Истинное сродство Са2+ к поверхности цвиттерионных фосфолипидных везикул близко или чуть меньше, чем к поверхности кислых фосфолипидов. Более сильное связывание Са2+ с кислыми фосфолипидами обусловлено не ббльшим сродством к ним Са2 +, а скорее всего электростатическим эффектом более высокой плотности отрицательных зарядов, приводящим к возрастанию локальной концентрации Са2+ на поверхности.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6
