1 INTRODUCERE
Membranele bistratificate fosfolipidice (BLM) reprezintă un sistem model util pentru a examina aspectele fundamentale ale componentelor bistratificate lipidice ale membranelor celulare biologice și, în special, pentru a investiga proprietățile lor elastice. Acestea sunt structuri autoasamblate de molecule amfipatice cu caracteristici fizice foarte asemănătoare cu cele ale cristalelor lichide smectice . Matricea bistratului lipidic este capabilă să încorporeze atât molecule hidrofobe, cât și amfipatice, cum ar fi proteine, alte lipide, peptide, steroizi și cosurfactanți. Proprietățile elastice ale membranelor lipidice privite ca medii continue au fost utilizate într-o varietate de studii care variază de la fenomene locale, cum ar fi interacțiunile lipide-lipide , lipide-proteine și proteine-proteine , până la fluctuațiile de formă ale celulelor întregi . În plus, natura hidrocarbonată lichidă a bicameralului este menținută de interacțiunile intermoleculare dintre fosfolipide la scară nanoscopică: interacțiuni electrostatice și dipol-dipolare între grupele de cap polar , interacțiuni mediate de moleculele de apă și interacțiuni de dispersie van der Waals între lanțurile hidrocarbonate .
Suprafețele unei BLM nu sunt nici perfect plane, nici rigide . Sistemul BLM este o structură flexibilă cvasi bidimensională care suferă continuu o varietate de tranziții conformaționale și dinamice . Mai mult decât atât, BLM-urile artificiale și naturale nu sunt sisteme izolatoare, ci permeabile pentru apă și electroliți care difuzează prin intermediul unei diversități de pori transmembranari.
Porii transmembranari stocastici sunt generați de oricare dintre următoarele mecanisme: fluctuații termice aleatorii și polarizate (termoporare) și declanșare electrică (electroporare). Moleculele lipidice din interiorul BLM urmează trei categorii distincte de mișcări termice aleatorii: translații laterale, paralele cu suprafața stratului bistratificat, cu coeficientul de difuzie laterală de ordinul a 10-7 m2s-1 (Dl) , oscilații și rotații în jurul axelor lipidice perpendicular pe suprafața stratului bistratificat .
Translațiile laterale cu direcții aleatorii induc fluctuații locale ale densității grupelor capilare polare lipidice la suprafețele stratului bistratificat. Prin urmare, o imagine instantanee a suprafeței stratului bistratificat dezvăluie domenii locale de dimensiuni nanoscopice cu o densitate mai mare a grupurilor de capete polare (adică clustere), precum și zone cu o densitate mai mică. Pentru anumite condiții fizice ale BLM (pH, temperatură, componente lipidice, potențial electrochimic etc.), aceste din urmă zone reprezintă mici defecte locale (de exemplu, vacanțe) ale membranei. În aceste domenii, moleculele de apă pot pătrunde în matricea hidrofobă a bistratului. Să luăm în considerare cazul a două defecte independente din fiecare monostrat care sunt aliniate în direcție perpendiculară pe suprafața membranei. Acestea pot genera un por hidrofob cilindric cu suprafața interioară flancată de lanțurile hidrofobe ale lipidelor. Prin urmare, aceste tipuri de pori tranzitorii sunt de natură hidrofobă. De asemenea, este posibil ca grupele de cap polare, situate în apropierea unui por hidrofob, să se supună unor rotații spre interiorul acestuia. În acest caz, suprafața hidrofobă internă a porilor va fi acoperită cu grupe frontale polare. Astfel, acești pori au o natură hidrofilă, nu mai au o geometrie cilindrică și au o stabilitate mai mare decât cei hidrofobi. Cu alte cuvinte, fluctuațiile termice aleatorii ale densității de headgroupuri polare în cei doi monostraturi de BLM sunt capabile să genereze pori transmembranari stocastici.
Prezența fluctuațiilor de grosime hidrofobe în interiorul BLM a fost demonstrată atât prin teorie cât și prin experiment. Acest lucru a fost realizat prin determinarea valorilor grosimii bistratului (h) din trei proceduri independente: măsurători de capacitate electrică (hc) , măsurători de reflectanță optică (hr) , și calcul direct (hav). Tanford (1980) a calculat grosimea stratului bilateral folosind următoarea formulă hav = Nl M/ρ, unde Nl, M și ρ sunt numărul de lipide pe unitatea de suprafață, greutatea moleculară a lanțurilor hidrofobe și, respectiv, densitatea zonei hidrofobe. Din cauza „fluctuațiilor de grosime” ale regiunilor hidrofobe, hc ar trebui să fie egală cu hav, în timp ce, în acest caz, ambele ar trebui să fie mai mici decât hr cu grosimea stratului polar (htp): hc ≅ hav = hr-htp. În cazul în care bistratul lipidic ar avea o grosime uniformă, atunci hc ar trebui să fie egal cu hav. În cazul BLM compuse dintr-un amestec binar de lipide, are loc o asociere selectivă între fosfolipide în urma apariției domeniilor fosfolipidice. Grosimea acestora este dependentă de lungimea lanțului hidrocarbonat al componentelor lipidice . Popescu și colab. (1991) au demonstrat apariția unor pori stocastici în BLM-uri datorită fluctuațiilor în grosimea bicameralului. Înălțimea barierei energetice pentru perforarea membranei în urma unui astfel de mecanism este totuși mare (aproximativ 91 kT, unde k și T sunt constanta Boltzmann și, respectiv, temperatura absolută). În acest caz, profilul geometric al porilor are o formă toroidală eliptică. S-a demonstrat, de asemenea, că un astfel de por transmebrană ar putea evolua spre o stare stabilă . Rezultatele obținute de acest model au fost destul de surprinzătoare, din cauza scării rapide de timp pentru închiderea porilor statistici în membrane. Doi ani mai târziu, Zhelev și Needham (1993) au creat pori mari, cvasi-stabili în veziculele din straturile bistratificate de lipide, menținând astfel predicția modelului anterior . Rezistența la rupere a membranei în termeni de tensiune liniară pentru un por mare în veziculele bistratificate a fost calculată de Moroz și Nelson (1997) .
Porii transmembranari stocastici pot fi, de asemenea, formați prin mișcarea termică polarizată a lipidelor . Acest mecanism se numește uneori termoporare. Porii apar în membrană prin intermediul unui proces de activare indus termic. Alternativ, procesul de activare pentru formarea porilor poate fi indus prin intermediul unui câmp electric extern (numit, de asemenea, electroporare) . Porul generat prin electroporare este mai mare și mai stabil . Mecanismul de electroporare a fost propus pentru livrarea de medicamente și gene în celule și țesuturi .
Porii proteici transmembranari sunt formați de sisteme proteice care acoperă o gamă largă, de la canale peptidice mici (de exemplu, gramicidina, alameticina, melitina etc.) până la canale mari asamblate de proteine multimerice. Deoarece acești pori sunt mari și plini de apă, substanțele hidrofile, inclusiv ionii, pot difuza prin ei, disipând astfel potențialul electric al membranei. Porii proteici transmembranari sunt constituiți din proteine integrale din două clase structurale majore: (1) canale selective formate de structuri transmembranare a-helicoidale grupate și (2) canale selective, pori și porine formate de structuri transmembranare monomerice (de exemplu, OmpG), dimerice (de exemplu, canale selective Cl-), trimerice (de exemplu, OmpF) sau multimerice de tip ß-baril transmembranar (de exemplu, α-hemolizină, leucocidine, citolizine) . Bistratul lipidic poate fi utilizat ca sistem in vitro pentru a studia aceste canale proteice atunci când acestea sunt reconstituite într-o membrană funcțională . În plus, BLM-urile pot fi folosite ca instrument pentru ingineria proteinelor de membrană și aplicațiile sale fie în biofizica cu o singură moleculă, fie în domeniul biotehnologiei .
Într-un alt exemplu, colicina Ia, o proteină secretată de Escherichia coli, formează canale ionice deschise la tensiune atât în membrana internă a bacteriilor țintă, cât și în BLM-urile planare . Colicina Ia este un transportor membranar care aparține clasei de toxine bacteriene care împărtășesc aceeași strategie: sunt inserate în membrana celorlalte bacterii concurente nutritive, generând astfel pori de dimensiuni mari. În consecință, acești pori vor deteriora potențialul electrochimic al membranei și, în final, vor provoca moartea acestor bacterii concurente. În comparație cu porii stocastici menționați mai sus, porii proteici au un mecanism diferit de formare și, de asemenea, proprietăți diferite. În timp ce un por stocastic „uită” mecanismul său de generare, unii dintre porii proteici transmembranari (de exemplu, colicina Ia) par să prezinte efecte de „memorie”, cel puțin sub influența unei secvențe specifice de impulsuri utilizate pentru stimularea electrică BLM.
Peori genetici au fost întâlniți în peretele vaselor sinusoidale din ficatul mamiferelor. Celulele endoteliale ale acestor vase prezintă numeroși pori de placă sită . Acești pori cu diametrul de aproximativ 0,1 μm permit trecerea unei părți din plasma sanguină și a chilomicronilor din spațiul sinusoidal în spațiul Disse. Prin urmare, porii endoteliali controlează schimbul de fluide, soluturi și particule între sângele sinusoidal și spațiul de Disse .
În această lucrare, am folosit teoria elasticității mediilor continue pentru a descrie apariția porilor stocastici prin BLM-uri plane.
.