Как собрать мембрану (солюбилизация и реконструкция мембран)
Л. И. Барсуков
Московский физико-технический институт, Долгопрудный Московской обл.
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.
Почему же детергенты разрушают мембрану? Да потому, что молекулы, образующие мицеллы, и молекулы, склонные к формированию мембран, предъявляют разные требования к геометрии образуемых ими ассоциатов (рис. 2).
Молекулы детергентов, обладающие довольно объемной гидрофильной областью и относительно небольшим гидрофобным участком, в целом имеют форму конуса и поэтому легко упаковываются в структуры с высокой кривизной поверхности типа сферических или цилиндрических мицелл. В свою очередь, в липидных молекулах, образующих мембраны, различия в размерах гидрофильной и гидрофобной области не столь велики. В силу этого они имеют форму цилиндра (или бруска) и лучше всего упаковываются в протяженные липидные бислои минимальной кривизны. Поэтому при одновременном присутствии детергента и липида в составе одного агрегата возникает конфликт между стремлением детергента принять мицеллярную конфигурацию и тенденцией липида сохранить бислойную упаковку молекул в мембране.
Пока детергента в мембране мало, его присутствие проявляется лишь в возникновении дефектов упаковки молекул в липидном бислое с образованием пор, проницаемых для водорастворимых соединений. Но по мере роста содержания детергента изменения упаковки становятся все более значительными и в конечном счете вызывают нарушения целостности мембраны, что приводит к ее разрывам и даже к фрагментации на отдельные частицы. Однако эти частицы все еще сохраняют мембранную организацию, и вся система в целом по-прежнему может рассматриваться как раствор детергента в мембране.
Когда же концентрация детергента в мембране достигает некоторой критической величины и дальнейшее сохранение бислойной организации молекул становится энергетически невыгодным, мембрана начинает разрушаться с образованием смешанных липид-детергентных и белок-детергентных мицелл, которые фактически представляют собой раствор компонентов мембраны в избытке детергента (рис. 3). Это и есть момент солюбилизации, которая приводит к резкому уменьшению размера частиц и как следствие этого – к снижению мутности мембранной суспензии и уменьшению количества материала, осаждаемого при центрифугировании.
Для солюбилизации лучше использовать детергенты с низкой ККМ, так как такие детергенты легче встраиваются в мембрану и быстрее вызывают ее распад до смешанных мицелл. В этом качестве наиболее эффективны ионные детергенты, но их недостатком является то, что нередко они вызывают денатурацию белков. Особенно часто это происходит в случае катионных детергентов. Иногда денатурацию можно предотвратить добавив липид в белковый солюбилизат. Неионные детергенты менее эффективны в качестве солюбилизирующих агентов и иногда не полностью отделяют липиды от белков. Но, возможно, именно поэтому в присутствии неионных детергентов белки лучше сохраняют свою активность.
В солюбилизированном состоянии мембранные белки можно легко отделить от основной массы липидов и подвергнуть дальнейшему фракционированию с целью выделения индивидуального белка или группы белков с интересующим исследователя типом активности. Методы такого фракционирования в настоящее время хорошо отработаны и включают специальные приемы разделения белков с помощью гель-фильтрации, хроматографии и электрофореза в водном буфере, содержащем детергент в концентрации, равной или превышающей его ККМ. В некоторых случаях солюбилизированные препараты выделенных мембранных белков можно использовать для проведения структурно-функциональных исследований, но чаще всего для этого необходимы реконструированные препараты, так как многие мембранные белки могут проявить свою функциональную активность только тогда, когда они находятся в полноценном мембранном окружении.