Искусственные липидные мембраны, имеющие двуслойное строение, оказались во многих отношениях сходными с биологическими мембранами. Искусственные мембраны получаются при контакте смеси фосфолипидов и нейтральных липидов, растворенных в органических растворителях, с водой. Бимолекулярные липидные мембраны (БЛМ), называемые также бислойными или черными липидными мембранами, представляют собой широко используемую экспериментальную модель, которая позволяет воспроизводить в искусственных условиях многие свойства и характеристики биологических мембран. Как и биологические мембраны, они представляют собой замкнутые системы, что делает их пригодными для изучения пассивного транспорта ионов и малых молекул через липидный бислой.
Липосомы — сферические везикулы, имеющие один или несколько липидных бислоев. Образуются в смесях фосфолипидов с водой. Внутри липосом содержится вода или раствор, в котором проводилась ультразвуковая обработка. В отличие от БЛМ, липосомы достаточно стабильны и не содержат органических растворителей. Состав липидов в липосомах можно произвольно варьировать и таким образом направленно изменять свойства мембраны. Благодаря возможности реконструкции мембраны из ее основных компонентов удается моделировать ферментативные транспортные и рецепторные функции клеточных мембран. В липосомы можно ввести антигены, а также ковалентно присоединить антитела и использовать их в иммунологических исследованиях. Они представляют собой удобную модель для изучения действия многих лекарственных веществ, витаминов, гормонов, антибиотиков и т. д.
В настоящее время хорошо разработаны методы включения функционально-активных мембранных белков в липосомы. Такие искусственные белково-липидные структуры обычно называются протеолипосомами.
Эффективность встраивания большинства белков компонентов в искусственные мембранные системы резко зависит от липидного состава мембран, pH, солевого состава, температуры и т. д. Система протеолипосомы — коллодиевая пленка , первоначально разработанная для изучения бактериородопсина, была затем использована при исследовании целого ряда других мембранных преобразователей энергии.
Существует два основных типа искусственных мембран:
- классические плоские,
- сферические мембраны различного размера.
Для получения искусственных мембран используют:
- различные фосфатиды,
- нейтральные глицериды,
- смеси липидов биологического происхождения, добавляя к ним холестерин, а-токоферол и другие минорные добавки.
Потенциальная ценность искусственных мембран для исследований зависит от возможности включения в них природных белков, в особенности тех, которые обладают транспортными свойствами. Липосомы, состоящие из белков и липидов, стали получать в 60-е гг. Термин протеолипосомы был введен В. П. Скулачевым. В настоящее время разработан целый ряд методов приготовления различных типов липосом и протеолипосом, а также их стандартизации по размерам, структуре, гомогенности, стабильности и другим характеристикам. Липосомы используют для доставки в клетку лекарственных и химических соединений, стабилизации ферментов в инженерной энзимологии, введения в клеточные мембраны молекул зондов, модифицирующих и моделирующих их поверхность. Большой интерес для генной инженерии и медицины представляют работы по введению в клетки при помощи липосом нуклеиновых кислот и вирусов.
С водой связаны многие структурно-функциональные свойства мембран, а также процессы стабилизации и формирования мембран. Вода входит в состав мембран и делится на:
- свободную,
- связанную,
- захваченную.
Связанная и свободная вода различается по подвижности молекул воды и растворяющей способности. Наименьшей подвижностью и растворяющей способностью обладает внутренняя связанная вода. Она присутствует в липидной зоне мембран в виде отдельных молекул. Основную часть связанной воды представляет вода гидратных оболочек. Эта вода окружает полярные группы белков и липидов, имеет min подвижность и практически не обладает свойствами растворителя. Свободная вода в порах и каналах. По ней могут перемещаться свободные ионы. Она является хорошим растворителем, подвижная и обладает всеми свойствами жидкой воды.
Захваченная вода обладает изотопным движением, характерным для жидкой воды, является хорошим растворителем. Она встречается в центральной зоне мембран, между ее липидными слоями, но эта вода пространственно делится как с внеклеточной жидкостью, так и с цитоплазмой. У нее нет возможности свободно с ними обмениваться.