Введение к работе
Актуальность проблемы. Синтетические полиэлектролиты активно используются в различных областях медицины и биологии. Это делает необходимым исследовать их поведение в биологическом окружении и, в первую очередь, механизмы их взаимодействия с клетками. При рассмотрении физико-химических аспектов такого взаимодействия наряду с клетками часто используются модельные системы, среди которых широкое распространение получили бислойные липидные везикулы (липосомы). Известно, что клетки несут суммарный отрицательный поверхностный заряд. Поэтому наибольший интерес вызывает исследование взаимодействия отрицательно заряженных липосом с поликатионами.
Такой подход позволил исследовать состав комплексов, образованных адсорбцией поликатионов на поверхности липосом, структурные перестройки в липосомальной мембране, конформационные переходы в адсорбированном поликатионе и его влияние на проницаемость мембраны, а также исследовать агрегацию и слияние липосом. Полученные результаты представляют большой интерес для прогнозирования возможных последствий контакта полиэлектролитов с клеточной поверхностью.
В то же время эти результаты стимулировали появление новых вопросов, связанных со строением и стабильностью комплексов поликатион-липидная мембрана.
1. Оказалось, что адсорбция синтетических поликатионов может
индуцировать в смешанных жидких липосомах переход отрицательно
заряженных липидных молекул с внутренней стороны липосомальной
мембраны на внешнюю (так называемый флип-флоп). В липосомах с
большим содержанием отрицательно заряженного липида это
приводит к существенному обеднению внутренней части бислоя и
разрушению липосомальной мембраны. Аналогичные структурные
перестройки могут происходить и в клеточной мембране после ее
контакта с поликатионом, что, в конечном итоге, может привести к
разрыву мембраны и гибели клетки. Это заставляет обратиться к
поиску поликатионов способных эффективно адсорбироваться на
клеточной мембране, но при этом не вызывать ее разрушения.
Перспективными в этом отношении могут быть положительно
заряженные полипептиды. Эти поликатионы биосовместимы,
биодеградируемы, нетоксичны и несут легко поддающиеся
модификации функциональные группы.
2. В большинстве работ исследовано взаимодействие
поликатионов с так называемыми малыми липосомами, диаметр
которых составляет 50-100 нм. Небольшие размеры этих липосом
обеспечивают значительную жесткость их формы. В отличие от этого
мембрана нативных клеток, размер которых лежит в микронной области, обладает высокой эластичностью, которая позволяет ей выдерживать без разрушения значительные деформации. Это свойство клеточной мембраны может играть важную роль в ее взаимодействии с макромолекулярными объектами, к числу которых относятся и синтетические полиэлектролиты. Моделировать эту особенность строения клеточной мембраны можно, переходя от малых липосом к большим с диаметром 300 нм и выше.
3. Как правило, в опубликованных работах анализируется поведение систем, состоящих всего из двух компонентов - липосом и поликатиона. Между тем, любая биологическая жидкость содержит помимо клеток большое количество отрицательно заряженных полиионов, которые сами могут образовывать прочные комплексы с поликатионом и тем самым препятствовать его взаимодействию с клетками. Такие конкурентные реакции можно исследовать, используя модельную систему липосомы - поликатион - полианион.
Цель работы состояла в изучении строения и свойств комплексов, образованных синтетическим катионным полипептидом, поли-L-лизином (ПЛ), и малыми и большими отрицательно заряженными липосомами, а также конкурентных реакций в тройной системе липосома - ПЛ - полианион.
Научная новизна. В работе показано, что адсорбция ПЛ на поверхности малых жидких липосом (диаметр около 50 нм), состоящих из смеси отрицательно заряженного дифосфатидилглицерола (кардиолипина, КЛ) и нейтрального фосфатидилхолина (яичного лецитина, ЯЛ), с молярной долей КЛ менее 0,5 определяется электростатическим взаимодействием положительно заряженных протонированных звеньев поликатиона с отрицательно заряженными группами КЛ. При этом в образовании ионных связей с ПЛ принимают участие только молекулы КЛ, находящиеся во внешнем монослое мембраны. КЛ молекулы внутреннего монослоя мембраны участия в образовании комплекса с ПЛ не принимают. Целостность липосомальиой мембраны в контакте с ПЛ сохраняется. В отличие от этого, адсорбция ПЛ на поверхности малых КЛ/ЯЛ липосом с молярной долей КЛ более 0,5 и больших КЛ/ЯЛ липосом (диаметр около 350 нм) сопровождается встраиванием молекул ПЛ в липосомальную мембрану и появлением дефектов в ней.
Адсорбция ПЛ на жидкой липосомальиой мембране индуцирует латеральную сегрегация липидов и формированием двух микрофаз, одна из которых обогащена молекулами КЛ, связанными в комплекс с ПЛ, другая - молекулами ЯЛ. Этот процесс развивается только во внешнем монослое мембраны.
Устойчивость комплексов ПЛ с жидкими липосомами зависит от
состава и размера последних. Комплексы ПЛ с малыми липосомамн (молярная доля КЛ менее 0,5) полностью диссоциируют при повышении ионной силы раствора. ПЛ полностью удаляется с поверхности малых липосом добавлением избытка линейного полианиона, например, полиакрилатаниона (ПА"). Напротив, комплексы ПЛ с малыми липосомамн (молярная доля КЛ более 0,5) и большими липосомамн устойчивы в водно-солевых средах и в присутствии избыточных количеств конкурентного полианиона, например, полиакрилат-аниона (ПА").
Большие жидкие КЛ/ЯЛ липосомы способны без разрушения
взаимодействовать с отрицательно заряженными
интерполиэлектролитными комплексами ПЛ-ПА".
Практическая значимость. Полученные результаты важны для прогнозирования поведения синтетических полиэлектролитов и биологически активных веществ на их основе в биологическом окружении, и в частности, для понимания механизмов взаимодействия полимерных соединений с клетками.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 6 Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" (Россия, Иваново, 1995), 213 конференции Американского химического общества (США, Сан-Франциско, 1997), Международной конференции "Фундаментальные проблемы науки о полимерах" (Россия, Москва, 1997) и 9 Международной конференции по коллоидной химиии и поверхностним явлениям (Болгария, София, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа
