Пожалуй, сегодня не нужно убеждать кого-либо в том, что исследования биологических мембран представляют собой одно из важнейших направлений современной биологии. Играя ключевую роль в регуляции потоков вещества, энергии и информации в клетке, мембраны вовлечены во все без исключения стороны ее жизнедеятельности. По этой причине внимание многих ученых во всем мире уже давно привлечено к проблемам мембран, и общее число публикаций на эту тему огромно. Статьи, посвященные биологическим мембранам или отдельным внутриклеточным мембранным системам, широко представлены и в данном журнале (см., например: СОЖ. 1996. Ъ 3, 4, 6; 1997. Ъ 1, 3, 5-10; 1998. Ъ 1, 3-6).

Исследования мембран в значительной мере базируются на двух основных методических приемах: это разборка нативной (то есть природной) мембраны на составляющие ее элементы и последующая полная или частичная сборка искусственной мембраны с использованием всех или части компонентов исходной мембраны. Применительно к мембранам эти приемы получили название "солюбилизация" и "реконструкция", и именно о них пойдет далее речь.

Следует сказать, что разборка изучаемых объектов на составные элементы и их последующая сборка с целью воспроизведения либо всего объекта целиком, либо отдельных его фрагментов, наиболее важных для поддержания структуры и проявления характерных функций, являются излюбленным методом молекулярной биологии клетки. Достаточно вспомнить успешные эксперименты по реконструкции вирусов, рибосом и бактериальных флагелл из входящих в их состав субъединиц, чтобы оценить всю познавательную мощь и информативность этого метода исследования. Еще большее значение этот подход имеет применительно к биологическим мембранам, поскольку они представляют собой чрезвычайно сложные многокомпонентные системы, которые исключительно гетерогенны по своему составу и структурной организации.

Первые усилия по разделению мембран на отдельные функциональные единицы были предприняты в 60-е годы XX в., и в течение долгого времени это направление развивалось эмпирически, по принципу проб и ошибок. Были испытаны различные способы воздействия на мембрану, включая механическую обработку, действие ультразвука, использование органических растворителей и разнообразных химических агентов. Хотя в ряде случаев с помощью этих методов были достигнуты определенные положительные результаты, однако чаще всего такая обработка либо была малоэффективной, либо приводила к деструкции мембранного материала и, что хуже всего, к необратимой денатурации мембранных белков. И только лишь после введения детергентов в практику мембранных исследований был найден тот золотой ключик, с помощью которого удалось раскрыть главные секреты структуры и функций биологических мембран.

Немного о детергентах

Прежде чем мембрану собрать, надо суметь разобрать ее на составные части. Оказалось, что легче всего это сделать с помощью детергентов.

Детергенты (от лат. detergere – мыть, очищать) представляют собой поверхностно-активные вещества с моющим действием, которое обусловлено их способностью образовывать в воде устойчивые коллоидные растворы. Поверхностная активность детергентов, то есть способность адсорбироваться на границе раздела фаз (типа вода-воздух или вода-масло), связана с амфифильностью их молекул. Амфифильными (от греч. фило – любящий и амфи – обоих) называют вещества, в молекулах которых имеются четко разграниченные гидрофильные и гидрофобные области, благодаря чему такие молекулы обладают сродством не только по отношению к воде, но и к неполярным органическим растворителям.

В воде молекулы детергентов стремятся ассоциировать друг с другом, давая мицеллы. Эти агрегаты состоят из большого числа детергентных молекул (обычно от нескольких десятков до нескольких сот), ориентированных в мицелле таким образом, что их неполярные группы формируют внутреннее гидрофобное ядро мицеллы, а гидрофильные полярные группировки находятся на ее поверхности и контактируют с окружающими молекулами воды. Именно благодаря наличию гидрофобного ядра мицеллы способны солюбилизировать, то есть переводить в раствор неполярные вещества, практически нерастворимые в воде.

В настоящее время известно несколько сот различных детергентов. Все они разделяются на два основных класса: ионные и неионные детергенты в зависимости от наличия или отсутствия заряженных групп в гидрофильной области их молекул. В свою очередь, по типу заряда ионные детергенты делятся на катионные, имеющие положительный заряд, анионные, обладающие отрицательным зарядом, и цвиттер-ионные, у которых имеется как положительный, так и отрицательный заряд, и поэтому в целом молекула является электрически нейтральной.

В качестве параметров, характеризующих способность детергентов к мицеллообразованию, обычно используют критическую концентрацию мицеллообразования (ККМ) и число агрегации. ККМ – это та концентрация, при которой детергент начинает образовывать мицеллы. До этого он находится в воде в мономерной форме в состоянии истинного раствора. Число агрегации показывает, сколько молекул детергента приходится на одну мицеллу.

В мембранных исследованиях используют довольно ограниченный круг детергентов. В табл. 1 представлены те из них, которые чаще всего применяются для солюбилизации и реконструкции мембран. Для этих детергентов характерны довольно высокие значения ККМ (10- 4-10- 2 М) и то, что они относятся к разряду так называемых мягких детергентов, то есть таких, которые не нарушают активности мембранных белков и не вызывают их денатурации или делают это в минимальной степени.

Вообще говоря, выбор детергента для реконструкции мембраны, как правило, представляет сложную задачу, поскольку заранее трудно предсказать, насколько удачным окажется данный детергент для данной конкретной мембраны и для данного конкретного белка. Кроме того, нередко требования к детергенту, используемому для солюбилизации мембраны, отличаются от требований, предъявляемых к детергенту при реконструкции. Поэтому иногда приходится в ходе эксперимента заменять один детергент на другой или использовать смеси разных детергентов.

Почему и как детергенты разрушают мембрану

Большая часть тех веществ, из которых построены биологические мембраны, а это главным образом белки и липиды, практически нерастворимы в воде. Это связано не с тем, что эти вещества являются абсолютно гидрофобными. Напротив, и мембранные липиды, и мембранные белки содержат в составе своих молекул довольно обширные области, образованные гидрофильными группировками, а потому, как и детергенты, являются амфифильными. Весь секрет заключается в балансе гидрофильных и гидрофобных остатков в молекулах этих соединений. А он таков, что величины ККМ для этих веществ очень малы (10-10-10- 9 М), и в воде их молекулы проявляют мощную тенденцию к агрегации. Однако в силу особенностей своего строения (см. ниже) они образуют в воде не маленькие мицеллы, а протяженные мембранные агрегаты. В этих структурах неполярные участки молекул формируют гидрофобную область мембраны, которая изолирована от воды гидрофильными группами, расположенными на противолежащих друг другу поверхностях мембранного бислоя.