Роль мембранных белков и липидов в механизме действия лекарственных веществ. Белки и липиды мембран

В настоящее время общепризнанной является жидкостно-мозаичная модель биологической мембраны, предложенная в 1971 году Николсоном и Сингером. Согласно этой модели структурную основу биологической мембраны составляет фосфолипидный бимолекулярный слой, который выполняет функцию барьера для ионов и водорастворимых молекул и функцию основы, матрицы для мембранных ферментов, рецепторов и других, встроенных в мембраны, белков, гликолипидов и гликопротеидов. В состав липидов плазматических мембран входит много холестерина. Рис. 1. Схема строения биологической мембраны: 1 – гидрофильные «головки» липидов; 2 – гидрофобные «хвосты» липидов; 3 – гидрофильная липидная пора; 4 – интегральные белки; 5 – углеводная компонента гликолипида; 6 – микротрубочка; 7 – белковый канал; 8 – периферические белки. Молекулы фосфолипидов обладают свойствами амфифильности, которое заключается в том, что часть молекулы полярна (а потому гидрофильна), а другая – неполярна (и гидрофобна). Это обусловлено особенностями химической структуры фосфолипидов, молекулы которых строятся из глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты и полярного соединения, характерного для каждого класса фосфолипидов (холин, серин, этаноламин и др.). При этом полярную гидрофильную часть называют «головкой», а неполярную гидрофобную – «хвостом». Соотношение длин «головки» и «хвоста» составляет 1:4. Благодаря такому строению фосфолипиды мембран в водной среде стремятся расположиться таким образом, чтобы неполярные «хвосты» контактировали друг с другом, а полярные «головки» - с водой. Поэтому липиды в гидрофильной среде самопроизвольно формируют бислой: внутри оказываются гидрофобные участки, а снаружи – гидрофильные. Такая организация липидных молекул отвечает состоянию с наименьшим значением потенциала Гиббса. Образовавшийся билипидный слой не образует краёв, а стремится замкнуться на себя. Подобное строгое пространственное расположение молекул в мембране во многом определяет её физические свойства. Мембраны имеют высокое удельное электрическое сопротивление, высокую удельную ёмкость и диэлектрическую проницаемость. Большинство фософолипидов имеют два жирнокислотных остатка. Такие липиды своей формой напоминают сплющенный цилиндр. Если же в липиде одна из двух жирных кислот отсутствует, например, в результате перекисного окисления липидов или действия некоторых фосфолипаз, то молекула напоминает конус. В водном растворе такие липиды образуют мицеллы, а в мембране – гидрофильные поры, через которые способны проходить молекулы воды и ионы, для которых в норме проницаемость мембраны крайне мала. Изменение проницаемости мембраны для веществ может привести к нарушению функционирования и гибели клетки. Так, например, ионизирующее излучение усиливает процессы перекисного окисления липидов, а, следовательно, способствует образованию пор, что является одним из механизмов поражения клетки. Мембраны содержат большое число различных белков. Их количество так велико, что поверхностное натяжение мембраны ближе к величине поверхностного натяжения на границе раздела «белок-вода», чем «липид-вода». Концентрация мембранных белков зависит от вида клетки. Например, в миелиновой оболочке аксона белков в 2,5 раза меньше, чем липидов, а в эритроцитарной мембране, наоборот, - белков в 2,5 раза больше. Одни белки находятся на поверхности мембраны (периферические), другие частично погружены в липидный слой или пронизывают мембрану насквозь (интегральные белки). Интегральные белки, так же как и липиды, обладают свойством амфифильности: та часть белка, которая находится в мембране, состоит из гидрофобных аминокислот, скрученных в α-спираль; другая часть, выступающая из мембраны, - гидрофильных аминокислот. Интегральные белки удерживаются в мембране благодаря гидрофобным взаимодействиям. Но иногда их удерживают молекулы цитоскелета – микротрубочки и микрофиламенты. К концу интегрального белка, выступающего во внеклеточную среду, могут быть присоединены углеводы. Эти комплексы называются гликопротеинами. Они часто являются рецепторами, участвующими в иммунных реакциях. Примерами интегральных белков являются белок фоторецепторных мембран – бактериородопсин, пронизывающий мембрану семь раз, белок эритроцитов – гликофорин, к полипептидной цепи которых могут быть присоединены различные олигосахариды; эти гликопротеины определяют группу крови системы АВ0. Многие интегральные белки образуют каналы, через которые могут проходить водорастворимые молекулы и ионы. В этом случае внутренняя часть канала содержит гидрофильные радикалы аминокислот. Интегральные белки связаны с липидами прочными гидрофобными взаимодействиями. Периферические белки могут находиться как с внутренней, так и с внешней стороны мембраны. Обычно они связаны с липидами электростатическими взаимодействиями, то есть значительно слабее, чем интегральные белки. Поэтому периферические белки легко удаляются с мембраны. В плазматических мембранах большинства клеток к бислою снаружи примыкает гликокаликс, состоящий из гликолипидов и гликопротеинов. Удельная доля углеводов в биомембранах составляет не более 10-15%. Толщина биологических мембран составляет 5-10 нм, однако, несмотря на это, их доля в сухой массе клеток превышает 50%. Это объясняется плотной упаковкой компонентов мембран, а также большой суммарной площадью цитоплазматических и внутриклеточных мембран. Все природные мембраны асимметричны, то есть одинаковые молекулы липидов находятся на наружной и внутренней поверхности в различных концентрациях. Свойство асимметрии присуще и расположению мембранных белков. Мембранные липиды и белки обладают большой подвижностью, то есть способны диффундировать вследствие теплового движения. Если перемещение их молекул происходит в пределах одного мембранного слоя, то такой процесс называется латеральной диффузией; если же их молекулы перемещаются из одного слоя в другой, то такой процесс называется «флип-флоп» - переход. По сравнению с латеральной диффузией «флип-флоп»-переход происходит гораздо реже. Среднее время между переходами молекулы фосфолипида с одной поверхности мембраны на другую не превышает одного часа. Молекулы белков почти не испытывают таких переходов. Скорость перемещения молекул липидов выше, чем молекул белка. Молекулы перемещаются с помощью поступательного движения, могут совершать и вращательные движения. Подвижность некоторых мембранных белков бывает резко ограничена микротрубочками или микрофиламентами, которые удерживают их в определенном месте на мембране. Большие различия между скоростями латеральной диффузии и «флип-флоп»-переходов очень важны. Столь большая скорость латеральной диффузии обеспечивает высокую скорость химических реакций, происходящих на мембранах, а малая скорость «флип-флоп»-переходов способствует сохранению асимметрии мембран. Пути миграции веществ через плазматическую мембрану Пассивная диффузия. Процесс пассивной диффузии веществ протекает без затрат энергии и возможен в обоих направлениях, т.е. как внутрь клетки, так и из неё. Направление и скорость пассивной диффузии определяются разностью концентраций транспортируемого вещества по обе стороны мембраны с помощью уравнения Фика. Пассивная диффузия происходит в направлении от более высокой к более низкой концентрации ЛВ (по градиенту концентрации) и продолжается до полного выравнивания концентраций по обе стороны мембраны, т.е. достижения термодинамического равновесия. Таким путём всасываются липофильные (главным образом, неполярные) вещества. Чем выше липофильность веществ, тем легче они проникают через клеточную мембрану. Однако значительное количество ЛВ является либо слабыми щелочами, либо слабыми кислотами, склонными к ионизации. Пассивная диффузия в этом случае зависит от рН среды и рК* вещества. Нейтральные молекулы вследствие большей липофильности легче диффундируют через мембрану, чем ионы и полярные молекулы.Соотношение между ионизированн и неионизированной формами молекул ЛВ (слабой кислоты) легко определяется при помощи уравнения Хендерсона—Хассельбаха. Если ЛВ — слабая кислота, снижение рН (подкисление) среды ведёт к повышению концентрации неионизированной формы ЛВ и усиливает процесс транспорта. Повышение рН (например желудочного сока) – подщелачивание - при приеме ЛВ, представляющих собой слабые кислоты, препятствует всасыванию. С другой стороны, лекарственные средства — слабые основания (например, амидопирин и др.) в кислой среде почти полностью диссоциированы и не могут всасываться из желудка на высоте пищеварения.Меньшая степень кислотности желудочного сока у детей раннего возраста (рН около 5,0) также оказывает существенное влияние на всасывание лекарственных средств, способных к диссоциации в желудке, ускоряя, по сравнению со взрослыми, всасывание органических оснований и замедляя всасывание органических кислот. Облегчённая диффузия. Представляет собой транспорт ЛВ через биологические мембраны с участием молекул специфических переносчиков. В этом случае, как и при пассивной диффузии, перенос веществ происходит по градиенту концентрации и не связан с затратой энергии, но скорость его значительно выше. Примерами поступления веществ с помощью облегчённой диффузии может служить транспорт в клетку пуриновых и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот, некоторых биологически активных веществ и ЛВ (глюкозы, глицерина, аминокислот, витаминов и др.). Классический пример облегчённой диффузии — абсорбция на поверхности эпителиальных клеток тонкой кишки цианокобаламина (витамина В12) при участии специального транспортного белка гастромукопротеида («внутреннего фактора Кастла»). Фильтрация. Вещества, нерастворимые в липидах, плохо диффундируют через биологические мембраны и могут частично проникать внутрь клетки путём фильтрации через поры клеточных стенок. Диаметр пор в мембранах эпителия кишечника не превышает 0,4 нм — 4 -5 Å, поэтому через них проникает только вода, некоторые ионы (Cl и др.), а также мелкие гидрофильные молекулы (например, мочевина). Зависит интенсивность фильтрации от гидростатического и осмотического давления. Активный транспорт — это перенос молекул ЛВ через биомембраны против градиентов их химических концентраций (т.е. транспорт «вверх») с помощью специальных транспортных систем (молекул-носителей), сопряжённый с затратой энергии. В биологических мембранах существуют специальные ферменты переносчики, обеспечивающие активный транспорт. Приблизившаяся к мембране полярная молекула (или ион) ЛВ вступает в обратимый комплекс с переносчиком. Интенсивность комплексирования зависит от структуры молекул вещества. Для активного транспорта характерны структурная специфичность (т.е. структурное или конформационное соответствие между молекулами переносимого вещества и осуществляющими их транспорт молекулами), насыщаемость системы транспорта, а также возможность конкурентного её торможения. Так, для парааминобензойной кислоты сродство к переносчикам в 1600 раз больше, чем у её структурного аналога стрептоцида. Поэтому ЛВ, эффект которых основан на принципе конкурентного антагонизма, назначаются в высоких, постоянно поддерживаемых дозах. Однако возможности переносящей системы ограничены количеством молекул-переносчиков. Именно поэтому повышение дозы не всегда приводит к увеличению терапевтического эффекта. В таких случаях избыток ЛВ выводится из организма в неизменённом виде. Сущность активного транспорта — циклическое превращение переносчика: высокое сродство с ЛВ на наружной поверхности мембраны и низкое — на внутренней, где образовавшийся комплекс вновь распадается. ЛВ попадает в клетку, а переносчик возвращается к наружной поверхности мембраны и т.д. Этот механизм получил название «биологического насоса».Активный транспорт против градиента концентрации создаёт в тканях неравномерное распределение веществ: при переносе, например, йода в фолликулы щитовидной железы из плазмы крови градиент концентрации составляет от 50 до 500. Столь значительное увеличение химического потенциала транспортируемых веществ осуществляется за счёт энергии окислительного фосфорилирования или гидролиза АТФ специальными транспортными АТФ-азами. Угнетение АТФ-аз при различных патологических состояниях, а также под влиянием метаболических ядов может существенно нарушать абсорбцию и внутриклеточное распределение лекарственного вещества. С помощью активного транспорта осуществляется абсорбция в пищеварительном тракте низкомолекулярных катионов Na+, K+, Ca 2+, глюкозы, аминокислот, сильных органических кислот и оснований, сердечных гликозидов, пиримидиновых оснований, тиамина и других витаминов группы В, кортикостероидных гормонов и др. Кроме того, низкомолекулярные вещества могут проникать в клетку в процессе пинозитоза и фагоцита. Пиноцитоз (от греч. pino — пить, kytos — вместилище) — это корпускулярная абсорбция, или пересорбция, осуществляемая путём впячивания (инвагинации) поверхности биомембраны с последующим образованием везикулы (вакуоли) вокруг транспортируемого вещества, как и при фагоцитозе. Везикула мигрирует сквозь толщу мембраны и, наконец, наступает эструкция (высвобождение) содержимого пузырька в плазму или во внутриклеточное пространство. Путём пиноцитоза клетки могут захватывать макромолекулы (белки и нуклеиновые кислоты с диаметром частиц не более 750 нм), а также, по-видимому, жирные кислоты и жирорастворимые витамины. Представляет интерес возможность поступления внутрь клеток липосом — новой перспективной лекарственной формы в виде фосфолипидных пузырьков с включёнными в их полость ЛВ. Липосомы предохраняют эти вещества от разрушения ферментными системами организма и быстрой почечной экскреции, значительно пролонгируя их действие.