Исследование избирательной проницаемости мембран в зависимости от структуры модификатора

УДК 577.352.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ МЕМБРАН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТРУКТУРЫ МОДИФИКАТОРА Лейла Назим кызы САДЫГОВА

Национальная академия наук Азербайджана, Институт ботаники, Баку

Исследована избирательная проницаемость мембран в зависимости от структуры молекул полиеновых антибиотиков (ПА). Было показано, что в основе механизма действия ПА лежит формирование ими в липидных и клеточных мембранах в комплексе со стеринами (холестерин, эргостерин, 7-дегидрохолестерин) структурных ионных каналов с определенной проводимостью. Параметры одиночных ионных каналов -селективность, проводимость, времена жизни каналов в открытом и закрытом состояниях регулируются посредством структурных модификаций в полиеновой молекуле.

Ключевые слова: бислойные мембраны, полиеновые антибиотики, проницаемость, каналы

Исследование молекулярного механизма избирательной проницаемости клеточных мембран для ионов и органических соединений является актуальной задачей физико-химической биологии и медицины. Прогресс, достигнутый в изучении механизма мембранного транспорта, связан в значительной степени с веществами антибиотической природы

- валиномицином, аламетицином, грамицидином А и ПА [1-5]. Изучение механизма ионной проницаемости липидного бислоя, исследование свойств одиночных ионных каналов на липидных мембранах в присутствии веществ с известной структурой молекул представляет собой реальный путь к выяснению на молекулярном уровне механизмов работы и управления системами проницаемости. Для того, чтобы эти исследования велись на молекулярном уровне, необходимо знать химическую структуру воздействующей на мембрану молекулы. К настоящему времени для трех типов антибиотиков известна химическая структура молекул - грамицидин, аламетицин и ПА. Грамицидин и аламетицин не являются структурными каналоформерами, т.е. не удается получить четких и достоверных данных зависимости проводимости мембран от концентрации указанных антибиотиков. Предполагается, что под действием грамицидина имеет место квадратичная зависимость проводимости от концентрации антибиотика. В случае аламетицина зависимость проводимости мембран от концентрации антибиотика более крутая. Эта проводимость пропорциональна

6-й степени концентрации аламетицина. В отличие от грамицидина и аламетицина, полиеновые ма-кролидные антибиотики являются классическими

структурными каналоформерами. В присутствии ПА удается получить полную зависимость проводимости мембран от концентрации антибиотиков (вплоть до сопротивления электродов). Зависимость проводимости мембран от концентрации ПА оказалась пропорциональна 8-10-й степени.

Система сопряженных двойных связей, гидрофильная цепь, аминная и карбоксильная группы в молекулах ПА являются важными структурными элементами, определяющими их биологическую активность. Основную информацию о функциях этих элементов можно получить, исследуя свойства одиночных ионных каналов, образуемых в мембранах ПА и их производными методом фиксации мембранного потенциала [2, 5]. Этот метод основан на электрических измерениях проводимости одиночных ионных каналов, времени жизни каналов в мембранах, постоянной времени релаксации проводимости мембран с большим числом каналов после удаления антибиотиков из водного раствора методом перфузии в градиенте плотности растворов [4].

Было показано, что в основе механизма действия ПА лежит формирование ими в липидных и клеточных мембранах в комплексе со стеринами (холестерин, эргостерин, 7-дегидрохолестерин) структурных ионных каналов с определенной проводимостью (рис.). Параметры одиночных ионных каналов - селективность, проводимость, времена жизни каналов в открытом и закрытом состояниях регулируются посредством структурных модификаций в полиено-вой молекуле [5-9].

Следует отметить, что механизм избирательности и проводимости ионных каналов, образуемых в

Садыгова Л.Н. - науч. сотр. лаб. физико-химических свойств клеточных мембран, е-mail: khalil_gasimov@azeurotel.com

Таблица

Структурные отличия в гидрофильной цепи ПА и значения разности потенциалов

Номер атома углерода Амфотерицин В Ео = - 45±3 мВ Нистатин Ео = - 40±3 мВ Микогептин Ео = - 13±1 мВ Леворин А2 Ео = + 56±2 мВ

1 =0 =0 =0 =0

2

3 -ОН -ОН -ОН =0

4

5 -ОН -ОН =О -0Н

6

7 -Н -ОН -ОН =О

8 -ОН -Н -Н -Н

9 -ОН -Н -Н -ОН

10 -Н -ОН -ОН -Н

11 -ОН -ОН -ОН -ОН

12

13 =0 =0 =0 -0Н

14

15 -ОН -ОН -ОН =О

16 -СООН -СООН -СООН -Н

17 -ОН -ОН -ОН -ОН

18 -Н -Н -Н -С00Н

19 Микозамин Микозамин Микозамин -Н

20 -Н -Н -Н Микозамин

мембранах ПА, остается по сей день открытым. Некоторые авторы считают, что молекулярная система, регулирующая избирательную проницаемость, находится у входа в канал, т.е. на полярных аминной и карбоксильной группах [10]. Однако другие авторы предполагают, что система, регулирующая избирательную проницаемость, находится внутри гидрофильной части канала [5]. Основным доводом в пользу предположения о том, что именно гидрофильная сторона молекулы ответственна за избирательное регулирование транспорта ионов через канал является наличие определенного числа гидроксильных и карбонильных групп в гидрофильной цепи молекул ПА. Физико-химические свойства ПА в мембранах находятся в сильной зависимости от структуры полярных групп, расположенных у входа в канал, и гидрофильной цепи лактонного кольца молекул ПА. Показано, что с увеличением числа карбонильных групп проницаемость канала меняется с анионной на катионную.

В таблице показаны структурные отличия в молекулах ПА и приведены значения разности потенциалов в системе 2 М:0,2 М КСІ. Из таблицы видно. что амфотерицин В и нистатин имеют одинаковый набор гидрофильных групп и одинаковую избирательность. У микогептина одна гидроксильная груп-

па заменена на карбонильную. Анионная селективность микогептинового канала намного хуже, чем у нистатинового и амфотерицинового. У леворина А2 в гидрофильной цепи отсутствуют две гидроксильные группы. Канал за счет дополнительных карбонильных групп заряжается более отрицатель-

Рис. Одиночные ионные каналы в мембранах, образованных ПА с различной структурой молекул

но и, по-видимому, это приводит к избирательной проницаемости для ионов калия. Селективность ионных каналов меняется в зависимости от числа гидроксильных групп в гидрофильной цепи лак-тонного кольца в ряду: амфотерицин В - нистатин

- микогептин - леворин А2. С уменьшением числа гидроксильных групп в гидрофильной цепи молекул ПА избирательность меняется с анионной на катионную. Однако пример четырех ПА еще не дает основания полностью утверждать, что система проницаемости локализована на гидрофильной стороне молекул ПА. Для подтверждения этого положения требуется поиск новых природных ПА и синтез их производных с соответствующим набором гидроксильных и карбонильных групп в гидрофильной цепи молекул полиенов.

Литература

1. Ибрагимова В.Х., Алиева И.Н., Касумов Х.М. Эффект леворина А2, вводимого с одной стороны липидных мембран // Биологич. мембраны. 2006. 23(6): 493-502.

Ibragimova V.Kh., Alieva I.N., Kasumov Kh.M. Effect of macrolide heptaene antibiotic levorin А2 added to one side of a lipid membrane // Biological membranes. 2006. 23 (6): 493-502.

2. Касумов Х.М., Самедова А.А., Шенин Ю.Д. Исследование механизма взаимодействия индивидуальных компонентов препаратов леворина и нистатина с липидными мембранами // Антибиотики и мед. биотехнология. 1987. 32 (11): 824-828.

Kasumov Kh.M., Samedova A.A., Shenin Yu.D. Study on mechanism of interaction between separate levorin and nystatin components and lipid membranes // Antibiotics and Medical Biotechnology. 1987. 32 (11): 824-828.

3. Курбанов О.Г, Касумов Х.М. Гептаеновый аро-

матический антибиотик леворин и его производные при мышечной деятельности // Антибиотики и химиотерапия. 2004. 49(3): 40-46.

Kurbanov O.G., Kasumov Kh.M. Levorin an aromatic heptaene antibiotic and its derivatives in muscle activity // Antibiotics and Chemotherapy. 2004. 49 (3): 40-46.

4. Brajtburg J., Bolard J. Carrier effects on biological activity of amphotericin B // Clinical Microbiology Reviews. 1996. 9: 512-531.

5. Kasumov Kh.M., Borisova M.P., Ermiskkin L.N. et al. How do ionic channel properties depend on the structure of polyene antibiotic molecules? // Biochim. Biophys. Acta. 1979. 551: 229-237.

6. Huang W., Zhang Z., Han X. et al. Ion channel behavior of amphotericin B in sterol-free and cholesterol- or ergosterol-containing supported phosphatidylcholine bilayer model membranes investigated by electrochemistry and spectroscopy // Biophys. J. 2002. 83: 3245-3255.

7. Ibragimova V., Alieva I., Kasumov Kh., Khutorsky V. Transient permeability induced by alkyl derivatives of amphotericin B in lipid membranes // Biochim. Biophys. Acta. 2006. 1758: 29-37.

8. Zotchev S.B. Polyene macrolide antibiotics and their applications in human therapy // Curr. Med. Chem. 2003. 10: 211-223.

9. Shvinka N. Channel-formation in muscle fibre membrane compared to artificial bilayer membranes // Proc. Latv. Acad. Sci. 2001. 56: 57-60.

10. Cotero B., Rebolledo-Antunez S., Ortega-Blake I. On the role of sterol in the formation of the amphotericin B channel // Biochim. Biophys. Acta. 1998. 1375: 43-51.

THE STUDY A SELECTIVE PERMEABILITY OF MEMBRANE IN DEPENDENCE ON THE MODIFIER STRUCTURE

Leyla Nazim kizi SADIGOVA

Institute of Botany Azerbaijan National Academy of Sciences, Baku

The role of lipid membranes in the decoding of molecular mechanism of interaction between PA and membranes and the relationship between structure and function of this group compounds is shown. In the base of PA-action there is the formation in lipid membranes structural ionic channels by PA and sterols (cholesterol, ergosterol,

7-dehydrocholesterol) in the molecular-size complexes that are selective permeable for ions and organic substances. The purposeful PA-synthesis by chemical modification of different parts in the molecule’s lacton ring and study of their physico-chemical properties on the membranes makes possible to formulate the theoretical conclusions for synthesis of new PA-drugs with the necessary therapeutic properties.

Key words: bilayer membranes, polyene antibiotics, permeability, channels

Sadigova L.N. - research worker of lab. physico-chemical properties of cell membranes, e-mail: khalil_gasimov@azeurotel. com