Введение к работе
! ...
Актуальность проблемы. Природные липиды. способны образовывать
разнообразные структуры в зависимости от рН, ионной силы, температуры и других
^ факторов. При этом линидный бислоп, наиболее хорошо изученная составляющая
биологических мембран, является лишь одної! нз известных фаз — а именно,
'лам&тлярпоП фазой, наиболее полно отражающей паши представ,!синя о барьерных
.свойствах мембран. Однако вес разнообразие функций биологических мембран
связано с процессами временного и локального разрушения-восстановления бислоя в
таких явлениях, как: трансмембранный перенос метаболитов,'секреция белков, обмен
генетической информацией между клетками, внутриклеточная доставка различных
компонентов, энлоцитго и экзоцшоз, клеточное "'деление,' слияние ( клеток,
бактериальная инвазия, вирусная инфекция и многие, другие. Все эти процессы
сопровождаются разнообразными видами межмёмбранного взаимодействия 11
слияния мембран при которых происходят изменения фазового состояния липидов.
Такие кооперативные структурные перестройки в мембранах называются разовыми
переходами. '
Два обширных н сильно отличающихся по физической природе типа фазовых переходов липндов привлекают особое внимание исследователей. Во-первых, это процессы плавления липндов, способные вызывать разделение твёрдых н жидких фаз, приводящее к латеральной сегрегации компонентов в плоскости мембраны. Во-вюрых, это полиморфные фазовые переходы липидов, в результате которых,могут образовываться такие небислойные структуры, как кубические или гексагональные фазы.
Биологическое значение обоих явлений чрезвычайно велико, В живых клетках гомеостатически поддерживается тахой состав липидов, при котором, в интервале температур, характерных для жизнедеятельности данного организма,, липиды находятся в расплавленном состоянии,. при этом существует . возможность , возникновения полиморфных фазовых переходов
Принятые сокращении:
Пгшгюлнме липили и их синтетические аналпги DGDG—дигалактознлдиглицерин MGDG — моногалактозилдиглішернп PG - фосфаткдилглииернн DOPE-диолеилфосфзтиднл этанол їм ни ООРС-диолетфосфатидилхолин ' DMPC-днмиристоилфосфатидилхолин DPPC — дипальмігтоилфосфатидияхолин'' Синтетические катиони мс липи л м E-DOPC—этил-диолсоилфосфащдилхолин DOTAP -диоленлтримстпламмоний пропан' ТТМЛ-татрадсцилтри.метилхчмопий бромид ПС-СлоІ-диметіамипагзтатзрбамоил-холестерин
Методы исследования' ДСК - дифференциалы оя сканирующая калориметрия.. КД-круговой дихроизм -ЯМР-ядерный магнитный резонанс
>кд научной литературы
ЦНБМСХД Фонд научной литературы
№
В последние годы интерес к исследованию свойств липидов особенно возрос в
саяіи с широким использованием лип'осочальиых препаратов в медицине и, прежде
всего, в генной терапии. Возникла практическая необходимость создания линосом,
содержащих генетический материал (їли лекарственные вещества и способных
активно и избирательно взаимодействовать с поверхностью определенных клеток-
мишеней, проникать в іттоплазму н там освобождать биологически активный агсет.
Создание молекулярных ' машин, способных выполнять столь сложные , и
многостадийные операции, молелир}юшнс явления живой природы, невозможно без
глубокого и всестороннего изучения всего разнообразия .физико-химических свойств
лилидов, которые, наряду с белками, полинуклеотидхми и полисахаридами являются
венном биологической эволюции молекул. ,
Цели и задачи исследования. Целью представленной работы,было изучение
структурной оргашгзащш различных фаз лнпидов, как в модельных системах, так и в
живонклетке. Мы ставили следующие задачи исследования, фазового поведения
модельных систем: ,,
' 'Роль электростатических взаимодействий в регуляции полиморфного поведения
лнпидов.
' Влияние больших амфипатических молекул, например молекулы хлорофилла, на
полиморфное поведение различных лнпидов. \ ' '
* ' Роль процессов нерскисного окисления лнпидов в регуляции фазового повеления
мембран. Структурные изменения в комплексах цитохроч с—карлнолипин. „
Физикс-химнческие свойства' комплексов белков или ДНК с различными
- липидамн.
Закономерности, обнаруженные в модельных системах, были рассмотрены также на примере клеточных мембран. При атом ставились задачи исследовать: " Структуру it динамику изменений межмембранных контактов в зонах адгезии
внешней и внутренней мембран грамогриизтельных бактерий.
Влияние двухвалентных катионов на полиморфизм мембран грам отрицательных
бактерий и проникновение ДНК в цитоплазму.
* Роль мембранных процессов в инфенированин клеток Escherichia «Л фагом Т4,
Изменения структурной органи шині клеточных мембран при віаимолействии с
катноннымн линосомамн.
Научная новизна.
Впервые обнаружена возможность контроля полиморфного поведения липидов, основанная на регуляции электростатических взаимодействий между противоположно заряженными полярными головами молекул. Ныло показано, что, изменяя соотношение зарядов ли и ила, мы можем получать определенные полиморфные кубические или гексагональные фазы.
Впервые показано, что амфипашческие молекулы, имеющие большой объем в полярной области, например молекулы хлорофилла, способны инициировать полиморфные переходы липидов благодаря изменению соотношения размеров полярной и гидрофобной поверхностей мембраны,
Проведен анализ влияния нерекисного окисления лнпидов на фазовое состояние
и структурную организацию мембран,, образованных кардиолнпином и
шпохромом с. Показано, что наблюдаемые структурные изменения мембран связаны с образованием олигомероа белка и продуктов нерскисного окисления липидов, , і
..''" 2
Впервые обнаружено стабилігзіфующее' воздействие катонных липидов,
используемых в генной терапии, на молекулу ДИК. Благодаря формированию
специфической мультиламеллярной фазы ДНК-липіипого комплекса, в которой
молекула ДНК оказывается «зажатой» между мембранами, температура
плавления ДНК повышается до 105-115*С.
Просел ей детальный з нал ні структурных изменений мембран в условиях трансформации (сіеток грамотршитсльных бактерий экзогенной ДНК. Показано сходство механизмов полиморфных изменений, мембран бактерий, ответственных за трансмембранний перенос ДНК, и полиморфизма липидов, наблюдаемого в молельных системах.
Исследованы структурные изменения мембран Escherichia cott* при
инфицировании бактериофагом Т4. Впервые .ттоказана роле межмембранных
взаимодействий и процессов слияния мембран в инфицировании бактериальных
клеток. Обнаружена специфическая структура, названная «тоннелем»,
ответственная за перенос молекулы ДИК через мембраны бактериальной клетки.'
- ' +
Практическая ценность работы. 1.0бнэружены и проанализированы условия, при которых образуются кристаллические'и иаракрметаллические структуры "а основе смесей анионных и кашонных лншиов, ДНК-липидных и бслок-лиипдных комплексов. Такие структуры могут использоваться в качестве матрицы при создании электронных устройств и микрочипов для потребностей нанотсхнологий. 2. Исслсловаии процессы взаимодействия с клеткой лнпосом и бактериофагов, что может найти применение в генной терапии и других областях медицины при создании средств доставки лекарственных препаратов в цитоплазму.
Основные положення, выносимые на защиту. Природные лппилы, благодаря способности к сложному фазовому поведению, способны выполнять функцию активной матрицы, на которой происходят - разнообразные процессы жизнедеятельности. Исследования фазового поведения лнпндов имеет большое практическое значение и потенциально может использоваться в медицине н технике.
Апробация работы. Работа пошла апробацию на Съездах биофизического
общества в Katnacc (199Sr.), в Новом Орлеане (2000г,), ч Постоїse (2001г.), в Сан.
Фрашшсш (2002г.). На Кейстопскои конференции по' не вирусным средствам
доставки генов, Кейстоіг, Колорадо, 1998г.' ' '"' ' '
Публикация.'По теме диссертации опубликовало 33 статьи в центральных отечественных и международных журналах.
Структура и объем работы. Работа изложена на 260 страницах машинописного текста. Она состоит разделов; Обзор литературы. Материалы и методы, Экспериментальная часть, Заключение и Выводы. Имеется также Список цитируемой литературы, содержащий более 500 источников.