Сравнительное исследование структуры и свойств липидных мембран с помощью рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей

• Автор: Исламов, Ахмед Хусаинович
• Шифр специальности: 03.00.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 117 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Глицерофосфолипиды

1.2. Структуры воднолипидных систем.

1.3. Молекулярный базис липидного полиморфизма.

1.3.1. Агрегация мономеров.

1.3.2. Плавление углеводородных цепей

1.3.3. Упругие свойства мембран

1.3.4. Межмембранныс взаимодействия в воде.

1.3.4.1 Структурированность молекул воды в биологических и коллоидных системах.

1.3.4.2. Взаимодействия между поверхностями агрегатов в водной среде
1.3.4.3. Электростатика липидного бислоя.
1.4. Методы рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей при изучении структуры биологических обьектов.
1.5. Глицерофосфолипиды с простой и сложноэфирной связями в биологических мембранах
1.6. Влияние наличия двойных связей в углеводородных цепях фосфолипидных молекул на структуру и свойства бислоя.
1.8. Влияние сложности состава на структуру и свойства мембран.
1.8. Методические проблемы при изучении структуры мембран
1.9. Заключение
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Приготовление образцов
2.1.1. Вещества
2.1.2. Ориентированные липидные мультислои.
2.1.3. Одиночные бислойные везикулы.
2.2. Рассеяние нейтронов и рентгеновских лучей на липидных мембранах
2.2.1. Геометрическая интерпретация дифракции.
2.2.2. Физическая интерпретация дифракции.
2.2.3. Вычисление распределения плотности рассеяния рг
2.2.4. Интегральная интенсивность рассеяния.
2.2.5. Дифракция на ориентированных липидных мультислоях
2.2.6. Малоугловое приближение КраткиПорода
2.2.7. Малоугловое рассеяние нейтронов на одиночных везикулах.
2.3. Экспериментальные установки
2.3.1. Нейтронный дифрактометр ДН
2.3.2. Малоугловой нейтронный спектрометр ЮМО.
2.3.3. Рентгеновский дифрактометр ДРОН
2.3.4. Метод осмотического давления.
2.3.5. Денсиометр 2М.
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ КАРБОНИЛЬНЫХ ГРУПП ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕМБРАН
3.1. Введение.
3.2. Измерения лА и V изотерм.
3.3. Ориентация дипольных моментов карбонильных групп.
3.4. Вклад дипольных моментов карбонильных групп липидов в латеральные взаимодействия внутри мембран.
3.5. Определение структуры и гидратной оболочки мембран.
3.5.1. Дифракция нейтронов
3.5.2. Дифракция рентгеновских лучей
3.5.3. Малоугловое рассеяние нейтронов
3.7. Выводы.
ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ДВОЙНЫХ СВЯЗЕЙ В ОСТАТКАХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ НА СТРУКТУРУ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ
4.1. Введение.
4.2. Адсорбция молекул воды липидными бислоями
4.3. Рентгеноструктурный анализ бислосв из ПОФХ и ДОФХ липидов
4.4. Изучение структурных параметров липидных бислосв в избытке воды, сформированных из ДОФХ, ПОФХ и ДПФХ липидов, с помощью малоуглового рассеяния нейтронов
4.5. Основные результаты
4.6. Выводы.
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕИОНИЫХ СУРФАКТАНТОВ И ДЕКАНА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ
5.1. Введение.
5.2. Адсорбционные изотермы воды для ПОФХСсистем.
5.3. Дифракционные эксперименты на ПОФХСБп системах.
5.4. Малоугловые нейтронные исследования ПОФХСЕп систем.
5.5. Сравнительный анализ влияния неионных сурфактантов и декана на толщину липидного бислоя с помощью малоуглового рассеяния нейтронов.
5.6. Основные результаты и выводы
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
ВВЕДЕНИЕ
Биологические мембраны определяют существование и функционирование живой клетки, обеспечивая пространственную и временную организацию процессов на поверхности и внутри нес. Мембраны окружают не только клетку, но и органеллы клетки митохондрии, ядра, аппарат Гольджи и т.д. мембранные белки, включенные в липидный бислой или сорбированные на его поверхности, выполняют разнообразные специфические функции, обеспечивая жизнедеятельность клетки. Для создания молекулярной биологии клеточных мембран необходимо знать как можно больше о химическом строении липидных веществ, их поведении в водных системах, поверхностных свойствах, надмолекулярных структурах, динамических переходах между отдельными фазами, формах движения липидных молекул в пределах мембраны, проницаемости липидных структур и их взаимодействиях с неорганическими ионами, белками и различными органическими молекулами. В связи с этим, исследования модельных липидных мембран занимают важное место для понимания ряда свойств биологических мембран 1,2. Решающую роль в решении ряда проблем, таких как определение локализации воды в мембране и структурных параметров мембран, сыграли методы рассеяния излучения на веществе и прежде всего рассеяние нейтронов. В большей степени, именно развитие методов рассеяния, а также появление мощных исследовательских реакторов источников тепловых нейтронов и синхротронных ускорителей дали прогресс в исследовании детальной информации о структуре и свойствах мембран.
Актуальность


Были применены новые подходы к определению параметров липидного бислоя с учетом проникновения воды в гидрофильную область мембран с помощью малоуглового рассеяния нейтронов на одиночных липидных липосомах с использованием метода вариации контраста и дейтериймеченных меток в липидном бислое а метод расчета плотности рассеяния бислоя с помощью сферических оболочек б метод ступенчатых функций для описания плотности рассеяния двухкомпонентного липидсурфактантного бислоя. Впервые применен метод анализа нарушений первого и второго рода в липидных мультислоях с использованием дейтериймечеиных фрагментов липидного бислоя и данных адсорбции воды липидными бислоями. Применен новый подход к получению адсорбционных изотерм воды липидными мультислоями в зависимости от заданного осмотического давления водяных паров с использованием в качестве образца стопки стекол, с нанесенными на них ориентированными мультислоями. Новый подход к приготовлению образцов позволяет существенно снизить наличие дефектов в липидной системе и избежать конденсации паров воды при высоких влажностях. Использование этих методов в работе позволило получить ряд принципиально новых результатов, касающихся структуры липидного бислоя. Было показано, что введение двойных связей в структуру липидов влияет на структуру гидрофильного фрагмента бислоя при встраивании в положение т2 ненасыщенной жирной кислоты увеличивается как степень гидратации полярного фрагмента липидов в составе бислоя так и наклон полярного фрагмента к плоскости бислоя. Наличие полярной сложноэфирной группы в структуре фосфолипидов в первом положении уменьшает гидрофобную толщину бислоя на 4А дипольный потенциал карбонильной группы в л цепи заметно превосходит вклад карбонильной группы в положении 2. Было продемонстрировано, что добавление к липидному бислою неионных сурфактантов и углеводородов приводит к эффектам увеличенияуменьшения гидратации поверхности мембран и уменьшенияувеличения гидрофобной толщины липидного бислоя при увеличении размеров полярной головы сурфактанта. Проведенная диссертационная работа продемонстрировала новые возможности направленного регулирования толщины бислоя, степени его гидратации и величины дипольного потенциала мембран. Практическая ценность работы, В работе выявлена роль двойных связей и сложноэфирных групп в составе природных фосфатидилхолинов на структуру бислоя. Получены данные по дипольным потенциалам и уточненным параметрам липидного бислоя с учетом проникновения воды в гидрофильную область бислоя, состоящего из биологически важных фосфатидилхолинов СбИзучено влияние различных неионных сурфактантов и углеводородов декана на структуру фосфолипидного бислоя. Представленные данные могут представлять интерес для моделирования свойств природных мембран и анализа межмембранных взаимодействий. Исследования были выполнены на установке малоуглового рассеяния нейтронов ЮМО, нейтронном дифрактометре ДН2 реактор ИБР2, Дубна, а также на рентгеновских дифрактометрах ДРОН4 и Филлипс. В работе представлены интерпретации полученных результатов и обсуждена возможная биологическая значимость исследованных эффектов. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. В первой главе дан литературный обзор по структуре и основным свойствам биологических и липидных мембран, межмембранным взаимодействиям и использованию рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей в мембранной биофизике, а также по проблемам, являющимися предметом диссертации. Вторая глава состоит из описания материалов и методов, использованных в работе, и новых подходов разработанных впервые. В том же разделе приведены основные характеристики и описание экспериментальных установок, на которых были проведены эксперименты. Третья глава посвящена сравнительному исследованию структуры липидных мембран, состоящих из фосфатидилхолинов с простой и сложной эфирной связью дипальмитоил1пальмитоил2гексадецил1гексадецил2пальмитоил и дигексадецилфосфатидилхолины, различающихся между собой по способу присоединения гидрофобных остатков к глицериновой основе, молекулы липида, через сложноэфирную группу С0О или простую эфирную связь О. В четвертой главе проведено изучение параметров липидных бислосв сформированных из фосфолипидов с разной степенью ненасытенности углеводородных цепей 1 пальмитоил2олеил двойная СНСН связь в бп2 положении, диолеил двойные связи в 5П и 5Н2 цепях, дипальмитоилдвойные связи отсутствуют фосфатидилхолинов.