Модификация мембран амфифильными ксенобиотиками

Короткодействующие ван-дер-ваальсовы силы обеспечивают взаимное притяжение всех молекул, находящихся в контакте друг с другом. Наличие этих сил в жидкостях становится особенно очевидным у поверхности. В объеме жидкости они действуют во всех направлениях с одинаковой интенсивностью, тогда как на границе раздела воздух–вода молекулы испытывают лишь ничтожное воздействие газовой фазы и, следовательно, притяжение их жидкостью (водой) почти не имеет противодействия. В результате расположенные на поверхности молекулы втягиваются внутрь жидкой фазы, и поверхность приобретает конфигурацию с минимально возможной площадью – именно этим и объясняется сферическая форма капель жидкости и пузырьков газа (рис.6.9, а).

Рис. 6.9. Схема, иллюстрирующая притяжение, испытуемое молекулами на границе раздела воздух – вода (а), и ориентацию молекул амфифильного вещества на поверхности раздела масло – вода (б)

Между молекулами растворителя, находящегося в поверхностном слое и внутри основного объема раствора, происходит постоянный обмен молекулами растворителя.

Граница раздела жидкость–жидкость (т. е. поверхность между двумя несмешивающимися жидкостями) по свойствам подобна границе раздела воздух–вода, за тем лишь существенным исключением, что разница в силах притяжения каждой из жидкостей, действующих на молекулы в поверхностном слое, в этой ситуации значительно меньше. Во многих случаях поверхностное натяжение у границы жидкость–жидкость почти не отличается от разности величин поверхностного натяжения каждой из жидкостей на ее границе с воздухом.

Амфифильные вещества стремятся сконцентрироваться на границах раздела несмешивающихся жидкостей. Молекулы этих веществ обычно состоят из длинных углеводородных цепей, связанных с короткой полярной «головкой». В большинстве случаев полярность «головки» обусловлена наличием атомов азота или кислорода, не обобществленные пары электронов которых образуют водородные связи с молекулами воды. С другой стороны, для попадания в воду углеводородная цепь должна разорвать водородные связи между молекулами воды, которые энергически препятствует этому разрыву. Поэтому амфифильные вещества, используя минимум энергии, располагаются на границе раздела масло–вода таким образом, что гидрофильная «головка» находится в воде, а липофильные углеводородные цепи размещаются в масле, взаимодействуя с подобными себе цепями растворителя (см. рис. 6.9, б). Накопление амфифильного вещества на границе раздела прекращается сразу же после того, как на ней образуется мономолекулярный слой этого вещества. Однако такой монослой является местом постоянного турбулентного обмена с другими молекулами амфифильного вещества, стремящегося занять место в пограничном слое; последний имеет пониженное поверхностное натяжение и легко деформируется. На границе раздела могут накапливаться как растворимые, так и нерастворимые вещества. Упорядоченное, ориентированное расположение молекул в поверхностном слое и повышенная концентрация вещества в нем обусловливает, как и в случае адсорбции, отличие их химической реакционной способности в поверхностном слое от молекул, находящихся внутри фаз по обе стороны границы раздела. Например, в поверхностном слое молекулы транс -изомера ненасыщенной алифатической кислоты могут быть настолько сближены, что двойные связи становятся недоступны для перманганат-иона из прилежащего водного слоя. Поэтому в этих условиях окисляться будет только цис -изомер, тогда как внутри фазы оба изомера окисляются с одинаковой скоростью.

Разбавленные водные растворы амфифильных веществ имеют обычные физические свойства. Однако при определенной высокой концентрации (характерной для каждого вещества) наступает резкое изменение поверхностного натяжения, осмотического давления и электропроводности, обусловленное появлением новой диспергированной фазы, образованной агрегатами, называемыми мицеллами. Обычно они имеют почти сферическую форму, т. к. вследствие взаимодействия с окружающей их водой гидрофильные группы вещества располагаются на поверхности сферы, а липофильные углеводородные цепи – внутри ее.

Минимальная концентрация вещества, при которой возможно образование мицелл, называется критической мицеллярной концентрацией.

Мицеллы – это агрегаты, состоящие из множества молекул, они термодинамически стабильны и не изменяются до тех пор, пока под действием внешних факторов не сместится равновесие, в котором находилась система. Устойчивость мицелл характеризуется скоростью диссоциации, т. е. средним временем пребывания молекул в мицелле.

Типичными представителями амфифильных ксенобиотиков являются поверхностно-активные вещества (ПАВ). По характеру диссоциации все ПАВ делятся на:

– анионные, функциональные группы, молекулы которых в результате ионизации в растворе образуют отрицательно заряженные ионы, обусловливающие поверхностную активность;

– катионные ПАВ, функциональные группы молекул которых в результате ионизации в растворе образуют положительно заряженные ионы, обусловливающие поверхностную активность;

– неионогенные, практически не образующие в водном растворе ионов;

– амфолитные ПАВ, образующие в водном растворе в зависимости от условий (рН, растворимость и др.) катионные или анионные соединения.

При обработке клеток поэтапно увеличивающейся концентрацией детергента ПАВ выявлены четыре различные стадии: связывание детергента с мембраной, лизис, диссоциация мембраны на смесь комплексов липид–детергент, протеин–липид–детергент и высвобождение из комплексов чистых белков.

Эти стадии могут быть описаны следующим образом:

1) При низких концентрациях молекулы детергента связываются с мембранами, вероятно, посредством внедрения во внешнюю фазу липидного бислоя без существенного изменения его структуры.

2) При повышении концентрации мономеров до определенной величины количество молекул детергента становится достаточным для дестабилизации мембраны. ПАВ, встраиваясь в мембрану, могут образовывать поры, размеры и физико-химические свойства которых зависят от типа и концентрации детергента в растворе. В этих случаях ПАВ действуют подобно клину, который разрушает естественную ориентацию липидных бислоев в мембране (рис. 6.10). В зависимости от вида ПАВ эти поры деформируются в виде связанных каналов или в виде выемок на поверхности мембраны. В ряде случаев при значительных концентрациях детергента образующиеся в мембране поры имеют очень крупные размеры, через них могут проходить сахара и макромолекулы.

Рис. 6.10. Взаимодействие ПАВ с клеточной мембраной; концентрация возрастает в последовательности а, б, в: 1 – молекулы образующих мембрану липопротеидов; 2 – молекулы ПАВ; светлые части молекул – полярные, темные – неполярные.

3) При еще больших концентрациях вся мембрана перемешивается с молекулами детергента, что приводит к фазовому переходу – мембрана распадается на смесь мицелл, содержащих комплексы детергент–липид или детергент–липид–протеин.

4) При последующем увеличении концентрации ПАВ отношение липид–белок уменьшается до тех пор, пока не происходит полное разделение фракций белков и липидов.

Детергенты связываются с мембраной в очень низких концентрациях. При наблюдении процесса связывания ПАВ с мембраной в широком диапазоне концентраций наблюдаются две стадии. При низких концентрациях кривая, характеризующая процесс связывания, имеет насыщение, обусловленное предельным числом мест связывания; и вторая стадия – связывание без насыщения при высоких концентрациях.

Что происходит при действии амфильных ксенобиотиков с транспортно-барьерными свойствами мембраны, в частности с селективностью, при действии амфифильных соединений?

Известно, что мембрана обладает выраженной селективностью по отношению к различным веществам; их коэффициенты проницаемости могут различаться на порядки. Это результат того, что молекулярные и надмолекулярные структуры мембраны упорядочены весьма особенным образом. Естественно, всякие нарушения этой упорядоченности, наступающие при внедрении в мембрану уже сравнительно незначительных количеств детергента, немедленно сказываются на показателях селективности. Пока ПАВ относительно малы, большая часть связывающихся с мембраной молекул «разрыхляет» удаленные друг от друга участки мембраны и каждая из них действует как бы независимо. Поэтому, наступающее снижение селективности примерно пропорционально числу связанных молекул и является суммой отдельных вкладов каждой из них. Но по мере роста концентрации ПАВ молекулы располагаются все плотнее, так что присутствие одной из них усиливает разрушающий эффект другой. Наконец, образуя большие скопления, приводящие в конечном счете к появлению пор, молекулы ПАВ, связанные с мембраной, еще более резко снижают ее селективность. В самом деле, какая селективность у решета с большими дырами!

Зависимость показателей селективности, т. е. отношений коэффициентов проницаемости какой-либо пары веществ, ионов от количества связанного мембраной вещества может в рассмотренном случае иметь вид, представленный на рис. 6.11, где каждой стадии нарушения мембранных структур соответствует различный наклон кривой; подчеркнем, что этот пример не более чем наглядная схема, лишенная многих подробностей. В действительности, появление пор в мембране вызовет столь серьезные нарушения деятельности цитоплазмы, что клетка погибнет, мембрана разрушится (уже за счет «внутренних» факторов), и мы никогда не сможем наблюдать снижение селективности до нуля. Тем не менее, приведенный пример иллюстрирует принципы молекулярных механизмов, лежащих в основе действия ПАВ. Этот пример раскрывает несколько отличный от ранее упомянутого механизм проявления принципа Эрлиха (вещество не действует, пока не будет связано).

Рис. 6.11. Изменение селективности клеточной мембраны с ростом концентрации ПАВ в среде

В данном случае «связывающая способность» клетки очень велика и ограничение количества связываемого агента, вызываемого недостатком незанятой поверхности мембраны, наступит, по-видимому, при внедрении в мембрану очень большого числа ПАВ, намного превосходящего смертельную для клетки дозу. Действие других соединений опосредовано через их реакцию с какими-то центрами связывания, количество которых сильно ограничено, причем клетка сохраняет жизнеспособность (пусть временную) даже в том случае, когда наступило полное их насыщение.