§ 5. Природные носители (липиды)

Вопросы белок-липидных взаимодействий давно привлекают внимание исследователей» так как in vivo большинство фермен­тативных реакций протекает вблизи или на поверхности биомем­бран. Поэтому иммобилизация ферментов на природных лк-пидных носителях (конструирование ансамблей белок-липид) мо­жет рассматриваться как наиболее близкое приближение к ус­ловиям функционирования ферментативных систем в живой клетке.

Для пел ей такой иммобилизации» как правило, используются природные лнпиды — компоненты бномембран. Структуры наибо­лее распространенных природных лнпидов изображены на рис. I,

Обычно лнпндные носители применяются в виде монослоев на различных поверхностях или бислоев (как правило, сфериче­ской формы).

Монослои лнпидов на поверхности воды. Лнпиды, имеющие в своем составе хотя бы небольшую полярную «голову», спо­собны образовывать мономолекуляркые пленки на границе раздела фаз (вода и воздух или вода и неполярный раствори­тель). Липидные молекулы в монослое расположены таким обра­зом, что их полярные головные группы погружены в водную фазу, а углеводородные части направлены в воздух или погру­жены в органический растворитель. Такая пленка способна сор­бировать белковые молекулы. Изучение монослоев лнпидов, содержащих белок, помогает понять природу взаимодействия лнпидов и белков в биологической мембране (сорбцию белка на липиднон поверхности, электростатические и гидрофобные

35

ир* *?

₁

_'#.1

6 О-РО

о с

н о

н ^Ч(?"н н * н

Фосфатвдил - - серии - инозит - холин (лецитии)

' "

г» '

О

0 0 б'С

^V

-ее 0-РО

-i-'V У

_<®ж,

о

' 0-Р-О ^h

ф

-с-

( HC^W - -С^| Сфингом+*елнк

■*.«*

j -С-' /

И А-

он " Ц^реброэид

Рис. L Основные типы мембранных -1ипидов;

о — глицеродипнды; б — сфинголипнды; в — холестерин; черточки — атомы водорода; полуокружности -объемы, занимаемые негтолярнымн хвостам и (/| у полярными головами лнпнлов (/Л

взаимодействия этих соединений, влияние поверхности на кон-формацию белка).

Получение мои о ело ев липидов на поверхности воды требует специальной техники и является весьма трудоемкой процедурой, что ограничивает их применение.

Монослои лип и да на твердой поверхности. Эти системы в качестее носителей были предложены О. М, Полтораком и Е. С- Чухрай (1966). Суть метода состоит в нанесении л и тш дно го монослоя на твердую подложку (сил ик а гель, сажа, аэроснл) с последующей адсорбцией белка из водно то раствора. В качест­ве л и пн д нон матрицы используют обычно лецитин, фосфатидил-этаноламин и холестерин. Разработан также метод получения искусственных смешанных лецитин-холестериновых слоев.

Возможность варьировать структуру и ориентацию молекул в лнпидных слоях достигается подбором полярности носителя и природы используемого растворителя ли пи да. Если липид с молекулами дифкльной природы, растворенный в неполярном органическом растворителе (бензол» гептан), адсорбировать на полярном силикагеле, то в монослое лнпида углеводородные цепи будут ориентированы наружу. При адсорбции лнпида из по­лярного растворителя на неполярной графитовой саже можно получить гидрофильный монослой, в котором полярные голов­ные группы ориентированы в сторону растворителя.

Лилосомы. Впервые лнпосомы были описаны А. Бэнгэмом в 1964 г. Для их приготовления наиболее часто используются фосфятидилхолипы (лецитины), фосфатидилэтаноламин, фосфат-ндилсерин, кардиолипин, сфингомиелин, причем они образуются как из чистых лип идо и, так и смесей.

Существует три различных типа липосом: мультиламелляр-ные, моноламеллярные и макровезикулярные. Мультиламелляр-ные лнпосомы представляют собой замкнутые упорядоченные структуры, состоящие из нескольких концентрических липндных бислоев, отделенных один от другого водной средой. Расстояние между соседними лнпнднымн бнслпями равно 7,5 нм, диаметр центрального водного ядра равен приблизительно 0,15 мкм_т а* суммарный диаметр мультиламеллярных лнпосом колеблется» от 1—2 до 50 мкм.

Ультразвуковая обработка мультиламеллярных липосом при­водит к трансформации их в простые, или моноламеллярные. При такой обработке размеры частиц уменьшаются; диаметр моноламеллярных липосом составляет от 20,0 до 50,0 нм.

Третий тип лнпосом - макровезикулярные липосомы, обра­зующиеся, например, путем слияния малых липосом, индуцируе­мого ионами Са²⁺, а также присутствием фосфолипидов с от­рицательно заряженными головными группами. Такие липосомы состоят из одного бнслоя и могут иметь диаметр от 60,0 нм до 100 мкм.

Размер и форма лнпосом зависят от способа их приготовле­ния, а также от таких факторов, как кислотность среды, при-

37

сутствие неорганических солей и природы используемого липида. Широкое применение липосом как носителей для ферментов и лекарственных препаратов обусловлено простотой получения, легкостью регенерации иммобилизованного материала, а также возможностью использования in vivo благодаря близости свойств этих липидов носителей и природных биомембран.

$ 6. Синтетические аналоги липидов (поверхностно-активные вещества)

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) состоят из молекул дифилыгой природы» имеющих в своем составе как полярную головную группу, так и неполярную углеводородную часты В принципе уже рассмотренные природные лнпнды также от­носятся к ПАВ. Синтетические ПАВ — это соединения, многие из которых являются продуктами крупнотоннажного произ­водства.

В зависимости от того, какие группы присутствуют в головной части молекулы, все ПАВ можно разделить на четыре основ­ных типа: анионные, катионцые, неиоцкые и цвиттерионные. В качестве примеров можно назвать следующие:

О О

II II

Н_ЭС— (Н₂С)з—СН^СН*—О—С—СН—СН_г—С—

_{I Л , .* '}

SO₃ Na

—О—СНг—СН— {СН ₂) з—СНз

I Н₂С—СН₃

бно-2-этнл гене иловый афнр натриевой соли сульфоянтзрной кислоты — анионное ПАВ

СН₃ I НзС-bN—(СН₂) is—СНэВг"

СНз

цегилтрниетнламмоннйбромнд — катнониое ПАВ

полы (9—10) окснэтнлена октютфснилоцый эфир <трнтон X-10Q — иеионнм

йлкилдниетилкарбонснб*танн — цвнттерномное ПАВ,

где п = 10—18,

Приведенные примеры не исчерпывают всего многообразия промышленных ПАВ. Так, например, фирмой «Serva» выпуска­ется более 30 наименований только неионных ПАВ различного

38

строения (табл. Ь). Список промышленных ПАВ с обсуждением их свойств можно найти в справочнике «Поверхностные явле­ния и поверхностно-активные вещества» {под ред. А, А. Абрам-зона и Е. Д. Щукина, 1984).

Рассмотрим некоторые примеры использования ПАВ в качест­ве носителей для ферментов.

Обращенные мицеллы ПАВ в органических растворителях. Оки представляют собой ассоциаты, в которых полярные го­ловные группы молекул ПАВ образуют ядро мицеллы, а угле­водородные остатки этих молекул направлены в органический растворитель. В полярную внутреннюю полость обращенной ми­целлы может быть включено (солюбилнзовано) значительное количество воды (до нескольких десятков молекул воды на каждую молекулу ПАВ) и других полярных веществ. Размеры внутренней полости обращенных мицелл можно целенаправленно

и в широких пределах варьировать (от 1 до 20 нм), изменяя содержание воды в системе.

Обращенные мицеллы образуются ПАВ различного типа, как синтетическими, так и природными. Наиболее полно изученным по физико-химическим параметрам и представляющим большой интерес для целей иммобилизации ферментов является бнс-2-этнлгекенловый эфир натриевой соли сульфоянтарной кислоты (аэрозоль ОТ) — продукт, выпускаемый фирмами «Merck» (ФРГ), «Sigma» (США), «Serva» (ФРГ). Обращенные мицеллы аэрозоля ОТ и органическом растворителе (например, октане) характеризуются весьма узким распределением по размерам, т. е. каждому значению содержании поды в системе соо гьетствует определенный диаметр агрегатов аэрозоля ОТ,

Синтетические моющие средства с биодобавками. Синтетиче­ские моющие средства (CMC) на основе ПАВ используются в практике очень давно. В последние годы все шире начинают применяться CMC с биодобавками — ферментами. Б качестве ПАВ в таких композициях применяются обычно смеси синтети­ческих жирных кислот (С|7—Сас), окснэтилированных жирных спиртов, алкиларилсульфонаты и др. Такие ПАВ входят в по­рошкообразные моющие средства «Ока» и «Био», содержащие в своем составе протеолитнческне ферменты. Средство для чист­ки ковров и удаления различных пятен включает смесь натрие­вых солей производных сульфоянтарной кислоты в качестве носителей для высокоактивных биодобавок на основе смеси липо-литическнх, протеолитических и амилолнтнческих ферментов.

Носители из полнмернзовяниых ПАВ. Г, Рингсдорфом (1977—1978) был предложен метод модификации сферических липидных агрегатов, заключающийся в их полимеризации. В этом случае для получения липосом используются лнпиды, мо­лекулы- которых модифицированы путем введения групп, содер­жащих кратные углерод-угле родные связи. В результате поли­меризации происходит ковалентная сшивка липосомальнои обо­лочки, приводящая к ее ужестчению. Помимо модифициро­ванных природных липидов для приготовления полимерных липо­сом применяются также синтетические мономерные ПАВ.

Основные типы функциональных групп, вводимых в молекулы синтетических ПАВ и липидов, и способы их полимеризации при­ведены в табл. 6.

Б зависимости от вида функциональное группы полимериза­цию проводят различными способами. В большинстве случаен полимеризация представляет собой радикальную реакцию, ини­циируемую химически и (или) облучением ультрафиолетовым светом. Наиболее широко в качестве инициатора радикальной полимеризации используют азо-бис-изобутиронитрил. Эффектив­ность полимеризации увеличивается при переходе от моноламел-лярных липосом к мультиламеллярным. Легкость н глубина протекания полимеризации зависят также от положения крат­ной связи в молекуле мономерного ПАВ (липнда). Чем ближе

40

Таблииа 6. Способы получения полимерных липосом в зависимости от типа мономера

Сопряженные тройные связи —СавС—Rj

Совряженны? двойные

Ri—СН—СН—<П=^Н—R,

^—CH=CH—R₄

€Ъ€мй реакции

R—

связь

SH-rpymn

SH SH

Амцдааянэфирная группы

(полихондецеащи)

—NH C—NH C—'

* Ri, Ra — фрагменты молекулы лнпндй или ПАВ, wt принимающие участии в мернзайми

двойная связь к полярной «голоне» молекулы, тем «труднее» проходит полимеризация.

По сравнению с обычными полимерные липосомы гораздо более стабильны по отношению к механическим и химическим воздействиям и сохраняют форму и размеры в течение несколь­ких месяцев.

Б настоящее время усилия исследователей направлены на создание с и с пользованием полимерных липосом носителей для лекарственных препаратов.

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ —

НОСИТЕЛИ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ФЕРМЕНТОВ

Для иммобилизации ферментов используются различные типы неорганических носителей, такие, как матрицы на основе сили-кагеля, глины, керамика, природные минералы» графитирован-

41

на я сажа, металлы и их оксиды. Основными качествами, обус­ловливающими широкое внедрение неорганических материалов в промышленные процессы, являются легкость их регенерации, возможность придания им любой конфигурации. Носители при­меняются как в виде порошков, шариков, так и монолита. Не­органические носители могут быть как пористыми, так и непо­ристыми.