Искусственные мембраны

Свойства мембран часто исследуются на искусственных фосфолипидных мембранах, представляющих собой модели естественных мембран. Техника получения ис­кусственных липидных мембран была разработана Лэнгмюром еще в 1917 г. Если на поверхность воды нанести каплю растворенных в каком-либо летучем растворителе фосфолипидов или жирных кислот, то после распределе­ния их молекул по водной поверхности и испарения растворителя образуется мономолекулярная пленка. Как установил Лэнгмюр, при полном насыщении поверхност­ного слоя адсорбированные молекулы липидов распола­гаются перпендикулярно к поверхности воды таким об­разом, что в воду погружается гидрофильная полярная группа, а неполярная углеводородная цепь направлена вертикально вверх. Такой ориентированный слой моле­кул называют «частоколом Лэнгмюра».

Если стеклянную пластинку опустить в воду, на поверхности которой находится мономолекулярная пленка липидов, то эту пленку можно перенести на поверхность пластинки. При повторных погружениях на пластинке возникают бимолекулярные и даже полимолекулярные пленки, молекулы отдельных слоев которых соединя­ются друг с другом либо полярными, либо неполярными группами.

134

Рис. 23. Процесс образования искусственной мембраны при диффузии растворителя в водную, фазу из капли раствора липидов, нане­сенной на отверстие.

В 1962 г. Мюллер предложил более удобный способ для получения бимолекулярных пленок. Для этого берут тефлоновую пластинку с небольшим отверстием и на отверстие наносят каплю раствора липидов в смеси хлороформа с этанолом (рис. 23). Затем пластинку помещают в раствор хлорида калия. По мере диффузии растворителей из капли в водную фазу молекулы липидов по поверхностям сферы (на границах капли) прибли­жаются друг к другу и в конце концов соединяются в довольно стабильный двойной слой, закрывающий от­верстие. Такая мембрана может длительное время суще­ствовать в водных растворах солей, а также служить границей раздела солевых растворов различного состава.

После этого многие исследователи изучали электропроводность подобных мембран, транспорт через них ионов, их проницаемость для различных веществ, их гид­ратацию, а также их механические и оптические свойства. В результате этого выяснилось, что подобные би­молекулярные пленки являются хорошей моделью биологических мембран. Например, величины электрических емкостей и сопротивления таких мембран близки к величинам этих параметров клеточной мембраны. Если создавался концентрационный градиент через мембрану, то возникал потенциал покоя величиной порядка 150 мВ при 0,1 М растворах NаС1 и КСl на противоположных сторонах мембраны. В 1967 г. Мюллер и Рудин сообщил

что некоторые вещества (циклические антибиотики)

₁₃₅

увеличивают электропроводность искусственных мем­бран приблизительно в 1000 раз. В дальнейшем выясни­лось, что подобные вещества могут изменять проницае­мость мембран для ионов, а также и для неионизированных частиц.

В 1968 г. Мюллеру и Рудину при добавлении в си­стему белков удалось получить мембраны, обладающие электрогенными свойствами. Они предположили, что один белок образует в мембране катионпроводящие поры, а второй добавленный белок — анионпроводящие поры. Эти мембраны при действии электрического тока обладали способностью генерировать импульсы, подоб­ные потенциалам действия. Интересно, что ионы каль­ция блокировали ритмическое возбуждение мембран и повышали его порог, т. е. действовали так же, как и на клеточную мембрану. Возбуждение обратимо блокировалось также местными анестетиками группы кокаина в концентрации примерно 2%, что представляет особый интерес, поскольку это находится в области физиологи­ческих концентраций.

Таким образом, метод создания искусственных мембран позволяет изучать многие свойства клеточных мем­бран. Основная ценность этого метода заключается в том, что он позволяет более детально изучать сложные биофизические процессы в мембранах, поскольку исследования проводятся в сравнительно простых системах.

Ценность этого метода обусловлена также и тем, что на искусственных мембранах можно исследовать про­цессы самоорганизации биологических структур, которые пока еще очень слабо изучены и привлекают присталь­ное внимание ученых.