КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2007, том 52, № 3, с. 549-553
^^^^^^^^^^^^^^ БИОЛОГИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
УДК 577.352.2+538.9
КОНФОРМАЦИЯ МОЛЕКУЛ ЦЕРАМИДА 6 И CHAIN-FLIP-ПЕРЕХОДЫ В ЛИПИДНОЙ МАТРИЦЕ ВЕРХНЕГО СЛОЯ КОЖИ МЛЕКОПИТАЮЩИХ - STRATUM CORNEUM © 2007 г. М. А. Киселёв
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна E-mail: kiselev@jinr.ru Поступила в редакцию 20.11.2006 г.
Дифракция нейтронов от ориентированных мультислойных модельных мембран Stratum Comeum (SC) позволяет получать информацию о внутренней наноструктуре липидного бислоя и его гидратации. Главной особенностью модельных мембран SC, сделанных на основе церамида 6, является чрезвычайно малое межмембранное пространство (1 А). Обсуждается значение полностью протяженной (FE) конформации молекул церамида 6 в организации наноструктуры липидной матрицы. FE конформация создает чрезвычайно сильное межмембранное взаимодействие (armature reinforcement), стягивающее соседние бислои до пространственного контакта друг с другом. Явление chain-flip-переходов в конформации молекул церамидов объясняет структурные изменения нативных и модельных мембран SC при их гидратации.
PACS: 87.14.Cc, 87.16.Dg
ВВЕДЕНИЕ
Верхний слой кожи млекопитающих - Stratum Corneum (SC) выполняет роль защитного барьера организма от окружающей среды. Согласно современным представлениям, SC состоит из умерших и ороговевших клеток (корнеоцитов) и липидной матрицы. Такая структура похожа на кирпичную стену, в которой роль кирпичей выполняют корне-оциты, а роль цементного раствора - липидная матрица, как представлено на рис. 1. Сегодня общепризнано, что диффузия вещества через SC определяется его липидной матрицей. Диффузия идет извилистым путем по липидной матрице SC, чем и задается высокое сопротивление к проникновению молекул в нижележащие слои эпидермиса. Биохимическая природа и физические свойства липидной матрицы SC существенно отличаются от свойств плазматических мембран, основанных на фосфолипидах [1]. Основная компонента липидной матрицы SC - девять молекул церамидов, представленных на рис. 2. Другими, наиболее важными компонентами этой матрицы являются холестерин, свободные жирные кислоты, сульфат холестерина. Методом дифракции нейтронов была впервые получена информация о внутренней наноструктуре модельной мембраны SC c композицией церамид 6 (CER6)/xолестерин (С^/пальми-тиновая кислота (РА)/сульфат холестерина (ChS) [2]. Главной особенностью мультислойной мембраны с составом CER6/Ch/PA/ChS является чрезвычайно малое межмембранное пространство, которое при полной гидратации составляет 1 А. Полученные методом дифракции нейтронов
структурные результаты [2] для липидной мембраны CER6/Ch/PA/ChS с весовым соотношением компонент 55/25/15/5 в избытке воды при Т = 32°С представлены на рис. 3. Низкая гидратация межмембранного пространства модельной мембраны липидной матрицы SC является ее существенным отличием от мембран фосфо-липидов, в которых межмембранное пространство составляет 10-30 А [3]. Межмембранное пространство полностью гидратированной мембраны CER6/Ch/PA/ChS составляет 1 А. В [2] была высказана гипотеза о том, что такая структура может создаваться за счет полностью протяженной конформации молекул церамида 6. В настоя-
Рис. 1. Модель "кирпичной стены" верхнего слоя кожи млекопитающих Stratum Corneum. Корнеоциты (кирпичи) разделены липидной матрицей (цементный раствор).
Рис. 2. Молекулярная структура молекул церамидов (CER), представленных в липидной матрице верхнего слоя кожи млекопитающих.
щей работе более детально анализируется роль двух различных конформаций молекулы цера-мида 6 и переходов между ними (Лат-Шр-пере-ходов) на основе имеющейся экспериментальной информации о структуре модельных и на-тивных мембран SC.
3.5 А Полярная группа 45.5 А Толщина мембраны
Ц--о 1о--Н о
но но
о
с>
H2O
- -С > 1 )-
H2O
- -Г^ Oi-
31.2 А 15.3 А
Гидрофобная Гидрофильная область область
H2O
1 А
Межмембранное пространство
Холестерин
Рис. 3. Структура мембраны CER6/Ch/PA/ChS с весовым соотношением компонент 55/25/15/5 при полной гидратации и Т = 32°С.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 4 представлена длиннопериодная фаза модельной липидной мембраны Stratum Comeum, построенной на основе смеси короткоцепочеч-ных (CER2, CER3, CER5, CER6, CER7) и длинно-цепочечных (CER1, CER4 церамидов. Модель "сэндвича" липидной матрицы SC, предложенная в [4], использовалась для объяснения результатов рентгеновских дифракционных экспериментов и экспериментов по электронной микроскопии, выполненных на мультислойных мембранах, выделенных из эпидермиального SC животных [5, 6]. По данным рентгеновской дифракции от неориентированных мультислойных везикул (липосом) в избытке воды, длиннопериодная фаза липидной матрицы SC состоит из трехслойной элементарной ячейки в 130 А с тремя внутренними слоями
50, 30 и 50 А, как показано на рис. 4 [5]. Слои с толщиной 50 А находятся в кристаллической фазе, а внутренний слой толщиной 30 А в жидкой фазе. В [5] было сделано предположение, что внутренний слой в жидкой фазе должен обладать высокой проницаемостью для молекул воды и, тем самым, диффузия воды идет в лателярном направлении. Важным является вопрос о силах, связывающих слои, находящиеся в жидкой и кристаллической фазе. Почему не возникает расслоения кристаллических фаз на два слоя с образованием между ними межмембранного гид-ратированного пространства? Стягивающие би-слои силы могут возникать за счет проникновения длинной углеводородной цепочки церамида 1 или церамида 4 из кристаллического слоя в 50 А в жидкий слой толщиной 30 А, как изображено на рис. 4. Однако такое объяснение не является достаточным по причине наличия двух двойных связей в длинной углеводородной цепочке церамида 1 (церамида 4). Двойные связи делают цепочку крайне гибкой. Кроме того, хорошо известно, что жидкая фаза углеводородных цепочек препятствует их проникновению друг в друга. Например, взаимопроникновение углеводородных цепочек молекул дипальмитоилфосфатидилхолина под влиянием этанола возможно только в гель фазе, когда цепочки находятся в транс-конформации и их структура близка к кристаллической. Такое взаимопроникновение становится невозможным при повышении температуры до уровня плавления цепочек, так как жесткость цепочек оказывается недостаточной для проникновения в соседний слой [7]. В [2] было установлено, что модельные мембраны SC на основе церамида 6 обладают чрезвычайно малым межмембранным пространством. В частично гидратированном состоянии полярные головы молекул соседних бислоев находятся рядом (слипаются друг с другом). Эффект адгезии (слипания) полярных групп имеет фундаментальное значение для объяснения модели "сэндвича" липидной матрицы SC. Малость межмембранного пространства связана с конформа-ционными особенностями церамидов. Молекулы церамидов могут находиться в полностью протяженной FE-конформации (FE - fully extended), когда их углеводородные хвосты направлены в противоположные стороны, а полярная голова находится в центре (рис. 5). В частности, CER6 состоит из двух стереометрических форм D-CER6 и L-CER6 [8]. D-CER6 существует в FE-конформации. В [2] была высказана гипотеза о том, что FE-кон-формация D-CER6 является основой адгезии полярных голов липидов соседних бислоев. Такая структура является чрезвычайно устойчивой. Например, замена в мембране с композицией CER6/Ch/PA/ChS пальмитиновой кислоты (длина цепочки С16:0) на кислоты с более длинными це-
Уй
ТО
Кристаллическая фаза, 50 Ä
И
Жидкая фаза, 30
, 30 Ä
Кристаллическая фаза, 50 Ä
ГО
Ä 0 3
Х> = Церамид 1, 4
= Церамид 2, 3, 5, 6, 7 = Холестерин
Рис. 4. Модель "сэндвича" длиннопериодной фазы липидной матрицы SC.
Частично гидратированая мембрана
Мембрана в избытке воды
Рис. 5. Изменения структуры мембраны CER6/Ch/PA/ChS при ее гидратации избытком воды за счет chain-flip-перехода молекул D-CER6 из FE-конформации в OS-конформацию (а - частично гид-ратированная мембрана, б - гидратация мембраны избытком воды): 0= - L-CER6, ф= - OS-конформа-ция D-CER6, —•— - FE-конформация D-CER6. Для простоты молекулы PA, Chol и ChS не изображены.
почками С18:0, С22:0, С24:0, С26:0 не приводит к увеличению толщины бислоя [9].
Представленная на рис. 5 а структура мульти-слойной мембраны CER6/Ch/PA/ChS в частично гидратированном состоянии (относительная влажность окружающего воздуха 60-99%) является прочной именно за счет FE-конформации молекул церамида 6. Можно сказать образно, что FE-конформация является арматурой удерживающей липидные бислои от их раздвижки в процессе гидратации. Такое арматурное укрепление (armature reinforcement) липидной матрицы SC может осуществляться и другими короткоцепочечными молекулами церамидов, для которых возможна FE-конформация. При физиологических температурах углеводородные хвосты короткоцепочеч-ных церамидов находятся в гель фазе, и поэтому их проникновение в соседний бислой возможно. FE-конформация церамидов является основополагающей в формировании устойчивой структуры липидной матрицы. Изменение толщины частично гидратированной мембраны не превышает 2 А при значительной вариации содержания ее компонент (от 5 до 10%) [1]. Вместе с тем, следует отметить, что гипотеза укрепления липидной матрицы за счет FE-конформации молекул церамидов (armature reinforcement) требует более
широкой экспериментальной проверки. Наиболее важный случай - смесь двух церамидов: церамида 6 и церамида 1. Экспериментальные исследования мембраны на основе смеси церамида 6 и церамида 1 могут дать окончательный ответ на вопрос о том, какая из этих молекул играет главную роль в образовании прочной структуры ли-пидной матрицы.
Вторым важным вопросом является вероятность существования молекул церамида 6 в односторонней OS-конформации (OS - one-sided), типичной для большинства липидных молекул с двумя углеводородными цепочками. Переход из FE-в OS-конформацию возможен за счет Aarn-flip-перехода, когда одна из цепочек совершает поворот своей оси на 180°. Такой переход энергетически возможен, так как на него требуется примерно половина энергии flip-flop-перехода, при котором м
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.