Глава 3 / местные и общие реакции организма на повреждение

85

совокупности называемые антиоксидантами (табл. 10).

3.1.8. Стабильность липидного слоя мембран и явление электрического пробоя

Стабильность липидного слоя и электричес­кий пробой мембраны. В отличие от белков и нуклеиновых кислот, которые в клетке собира­ются каждый по своему чертежу сложнейшими молекулярными роботами, липидный слой мем­браны обладает способностью собираться сам по себе из молекул фосфолипидов и холестерина, если только они содержатся в водном растворе в достаточной концентрации. Это связано с осо­бым свойством молекул липидов, входящих в состав мембран, которое принято называть ам-фифильностью, т. е. сродством одновременно к воде (гидрофильность) и к неводным средам, та­ким как растительное масло или жидкий пара­фин (гидрофобность). Молекула фосфолипида (основной липид клеточной и внутриклеточных мембран) имеет форму сплющенного цилиндра (рис. 13, А), один (меньший) конец которого хорошо растворяется в воде («полярная голова»), а другой - в воде не растворяется («жирный хвост») (рис. 13, Б). В водной среде такие моле­кулы самособираются в липидный бислой (рис. 13, В), который сам на себя замыкается, обра­зуя везикулы - липосомы (рис. 13, Г).

Под влиянием тепловых движений молекул в липидном слое могут образоваться дефекты, которые приводят к образованию заполненных водой трещин и щелей (назовем их «порами»). Через такие дефекты могут проходить водора­створимые молекулы и ионы. Однако их появ­ление крайне невыгодно с энергетической точки зрения, поскольку при этом граница раздела липид - вода сильно увеличивается, а это требу­ет затраты работы на преодоление силы поверх­ностного натяжения. С ростом радиуса поры энер­гия системы растет пропорционально радиусу в соответствии с уравнением:

АЕ = nrlo,

где г - радиус поры; Z ■ толщина мембраны; а -энергия образования границы раздела площадью 1м² (в системе СИ).

При наличии мембранного потенциала (т. е. разности потенциалов между водными фазами

86

по сторонам мембраны), который обозначается как ф_т, энергия образования поры снижается. Как показывает теория, в этом случае энергия системы изменяется с ростом поры по уравне­нию:

АЕ = nrlo ■ кг² е_оФ*_т (s„ - ej/ 21,

где е₀ - диэлектрическая постоянная, е_ц , е_т - ди­электрическая проницаемость для воды и липид­ного слоя мембран соответственно; <р_/( - мембран­ный потенциал.

Изменение энергии поры с ростом ее радиуса при трех разных мембранных потенциалах по­казано на рис. 14, В. Видно, что с ростом радиу­са энергия системы сначала растет, а затем на­чинает уменьшаться. Это означает, что после преодоления некоторого энергетического барье­ра рост поры будет происходить самопроизволь­но, пока мембрана вообще не разрушится. Вели­чина барьера снижается при увеличении мемб-

«Полярная голова»

Липидный бислой

«Жирный хвост»

г Липосома

Рис. 13. Самосборка фосфолипидов в бислой

Часть I. Общая нозология

рвнного потенциала. При небольших потенциа­лах, существующих в живой клетке (70 мВ на щдаоплазматической мембране и 175 мВ на внут­ренней мембране митохондрий), этого не проис-ходит, потому что барьер достаточно высок.

С ростом потенциала может наступить момент, когда в мембране начнут формироваться и расти ■оры и она будет разрушена. Такое явление но­ет название электрического пробоя мембраны.

О

Образование водной поры

Поверхность поры равна 2кН

<

с

о I-

Радиус поры, мкм

0 40 80 120

_

Рис. 14. Электрический пробой мембран: А - появле­ние в липидном бислое мембраны поры, заполнен­ной водой; В - размер внутренней поверхности поры пропорционален ее радиусу; В - энергия мембраны с

порой в зависимости от ее радиуса. Величина потенциального барьера при росте поры уменьшает­ся при увеличении потенциала на мембране; Г - возрастание тока в зависимости от потенциала пробоя

Величина потенциала, при котором начинается электрический пробой, называется потенциалом пробоя и обычно обозначается как U* или ф*. Величина потенциала пробоя, несколько разли­чающаяся для мембран с разным составом бел­ков и липидов, может служить количественной мерой электрической стабильности мембраны. Чем стабильнее мембрана, тем выше потенциал, который ее «пробивает» (т. е. ф*) .

Электрическая прочность различных мем­бранных структур. Явление электрического про­боя мембран изучалось многими авторами на искусственных мембранах и отдельных клетках. Мембраны обладают определенным сопротивле­нием R электрическому току I, которое при не­большой разности потенциалов ф между двумя сторонами мембраны является постоянной вели­чиной. Иными словами, для мембраны соблюда­ется закон Ома:

I =_Ф/Л.

Это означает, что зависимость между напря­жением на мембране ф и током через мембрану I - линейная. Однако такая зависимость сохраня­ется при сравнительно небольших величинах ф: обычно не выше 200-300 мВ. При определенной разности потенциалов на мембране (потенциале пробоя ф*) происходит резкое возрастание тока (рис. 14, Г). При постоянном мембранном по­тенциале, если он превышает критическое зна­чение, ток самопроизвольно нарастает во време­ни до полного разрушения мембраны.

На рис. 14 представлены результаты опыта на бислойных липидных мембранах. Аналогич­ные опыты были проведены на везикулярных мембранных структурах: фосфолипидных вези­кулах - липосомах, изолированных митохондри­ях и эритроцитах. В случае липосом и эритро­цитов потенциал на мембране создавался за счет разности концентраций проникающих ионов по сторонам мембраны, в случае митохондрий - за счет энергии окисления субстратов. Измерение мембранного потенциала осуществлялось различ­ными способами, например в случае митохонд­рий, - с помощью потенциалчувствительного флуоресцентного зонда. Явление пробоя мемб­ран наблюдалось во всех случаях. В табл. 11 приведены величины потенциалов пробоя мемб­ран всех этих объектов. Разумеется, потенциал пробоя во всех случаях выше потенциала, суще­ствующего на мембранах в живой клетке: иначе