10.6. Липидные бислои непроницаемы для ионов и многих полярных молекул
Измерение проницаемости липидных бислоев проводилось в двух четко охарактеризованных искусственных системах: липидных пузырьках и плоских двуслойных мембранах. С помощью этих модельных систем удалось определить основную функцию биологических мембран, а именно их роль непроницаемого барьера. Решающую роль имеет тот факт, что липидные бислои по своей природе оказались непроницаемы для ионов и большинства полярных соединений.
Липидные пузырьки (называемые также липосомами) представляют собой водную фазу, окруженную липидным бислоем (рис. 10.12). Для получения липосом приготовляют суспензию какого-либо подходящего липида, например фосфатидилхолина, в водной среде. Далее смесь обрабатывают ультразвуком; в результате образуются замкнутые липидные пузырьки одинакового размера. Липидные пузырьки можно также получить, быстро смешивая с водой раствор липидов в этаноле. Этого можно достичь
Рис. 10.12. Схематическое изображение липидного пузырька.
путем введения раствора липидов через тонкую иглу, что приводит к образованию пузырьков почти правильной сферической формы с диаметром около 500 А. Для получения пузырьков большего размера (порядка 104 А, или 
в диаметре) из суспензии фосфолипидов в смешанной системе растворителей медленно выпаривают органический растворитель.
Если получать липосомы в присутствии каких-то растворенных в воде ионов или молекул, то эти вещества окажутся в водной фазе липосом (рис. 10.13). Так, например, если липосомы диаметром 500 А образуются в 
растворе глицина, то внутри каждой из них окажется примерно 2000 молекул глицина. Такие содержащие глицин липосомы можно отделить от окружающего раствора глицина путем диализа или гель-фильтрации. Если требуется определить проницаемость мембранного бислоя в отношении глицина, то для этого нужно измерить скорость выхода глицина из внутреннего компартмента липосом во внешнюю среду. Липосомы представляют интерес не только в плане изучения проницаемости. Оказалось, что они способны к слиянию с плазматической мембраной различных клеток, а это открывает возможность для введения в клетки самых разнообразных веществ, не способных проникать через мембрану. Избирательное слияние липосом с клетками определенных типов может быть успешно использовано для контролируемой доставки лекарственного вещества к клетке-мишени.
Второй тип искусственной мембраны — плоская двуслойная мембрана (или мембранный бислой). Получают эту структуру, используя отверстие размером 
в перегородке между двумя водными растворами. Такая мембрана очень удобна для изучения электрических явлений в силу большого размера и простой формы. Способ получения больших двуслойных мембран разработали Поль Мюллер и Доналд Рудин (P. Mueller, D. Rudin). В раствор липида, из которого хотят получить мембрану, например в раствор фосфатидилхолина в декане, опускают тоненькую кисточку. Затем концом кисточки делают взмах через отверстие (диаметром 
в перегородке между двумя водными растворами. В результате отверстие перегораживается спонтанно образовавшейся тонкой липидной пленкой; избыток липидов скапливается по краям отверстия. Формирование плоской двуслойной мембраны из фосфатидилхолина занимает несколько минут. Нетрудно определить электропроводность такого макроскопического бислоя, поместив электроды в водную фазу по обе стороны мембраны (рис. 10.14). Можно определить, например, и ионную проницаемость мембраны, измеряя величину проходящего через нее тока в зависимости от приложенного напряжения.
Исследование проницаемости мембранных пузырьков и электропроводности плоских бислоев показало, что липидная
Рис. 10.13. Приготовление суспензии липидных пузырьков, содержащих молекулы глицина.
Рис. 10.14. Экспериментальная установка для изучения плоских двуслойных мембран. Двуслойная мембрана образуется таким образом, что затягивает собой отверстие диаметром 
в перегородке, разделяющей две водные фазы.
двуслойная мембрана обладает очень малой проницаемостью для ионов и большинства полярных молекул. Исключение из правила составляет вода, проникающая через такие мембраны. Экспериментально полученные коэффициенты проницаемости варьируют в широких пределах (рис. 10.15). Так, 
проходят через мембраны в 109 раз медленнее, чем вода. Триптофан, который при 
является биполярным ионом, проходит через мембраны в 103 раз медленнее, чем индол, который сходен с триптофаном по структуре, но не несет ионизированных групп. Коэффициенты проницаемости для низкомолекулярных соединений коррелируют с отношением их растворимости в неполярных растворителях к растворимости в воде. Эта зависимость дает основание думать, что низкомолекулярные соединения проходят сквозь двуслойную мембрану следующим образом: сначала они теряют окружающую их гидратную оболочку, затем растворяются в углеводородном внутреннем слое мембраны, наконец диффундируют через этот внутренний слой к другой стороне мембраны, где вновь растворяются в воде.
