Перед решением задачи, пожалуйста, прочитайте здесь инструкции и советы...

Многие лекарственные средства нового поколения снабжены системами доставки, обеспечивающими постепенное поступление лекарственных веществ в определенные органы и клетки-мишени, а также улучшение фармакологических свойств препарата. Много внимания уделяется фосфолипидным наночастицам–липосомам – как переносчикам лекарственных средств, эффективность действия которых обеспечивается не только их биологическими свойствами, но и наноразмерами.

Липосому можно представить себе как сферу с толстой стенкой (рис. 1), внутри и снаружи которой находится водный раствор. Диаметр «одностенных» липосом составляет обычно от 20 до нескольких сотен нанометров. Стенка липосомы представляет собой так называемый липидный бислой, состоящий чаще всего из фосфолипидов (сложных эфиров глицерина или сфингозина, фосфорной кислоты и жирных кислот). Глицерофосфолипиды являются обязательным компонентом большинства мембран животных, растительных и бактериальных клеток. В молекуле фосфолипида можно выделить две большие части – растворимую в воде гидрофильную «голову» и нерастворимый в воде гидрофобный «хвост» (на рис. 2 выделены красным и синим цветом соответственно). Мембраны, состоящие только из фосфолипидов, будут сильно неполярными и гидрофобными внутри «стенки» и полярными на внешней и внутренней сторонах «стенки».

1) Сколько энергии требуется для поддержания структуры липидного бислоя, состоящего из фосфатидовой кислоты? Объясните свое предположение (3 балла).

Все молекулы липидов, у которых есть гидрофильная голова и гидрофобный хвост, могут образовать в водной среде два различных типа структур – липосомы (рис. 1) или мицеллы (рис. 3). Тип получающейся структуры зависит от соотношения размеров «головы» и «хвоста» – если «голова» по диаметру больше, чем «хвост», то образуются мицеллы, а если «голова» и «хвост» сравнимы, или даже «хвост» толще «головы», то формируются липосомы.

2) Какие структуры (мицеллы или липосомы) будут формировать в водном окружении (2 балла):

а) поверхностно активное вещество додецилсульфат натрия C₁₂H₂₅SO₃Na

б) фосфолипид кардиолипин (рис. 4)?

3) Оцените с точностью ±0.3 нм толщину липидного бислоя, состоящего из фосфатидилхолина (1,2-дипальмитоил-sn-глицерофосфохолина) (рис. 5) с учетом длины связи CH₂–CH₂ 1.53 Ǻ и валентного угла 110° (линейный размер «головы» можно принять равным 8 Ǻ). Приведите свои расчеты (2 балла).

Известно, что липидный бислой – это подвижная текучая структура, в которой происходит броуновское движение молекул липидов. Современные методы исследования позволяют следить за движением единичных молекул липидов в бислое.

4) Допустим, вам удалось «пометить» одну молекулу липида и вы следите за ней с помощью специального микроскопа. Какое перемещение этой молекулы липида в липидном бислое будет происходить часто, а какое редко?

а) вдоль одного из монослоев

б) из одного монослоя в другой?

Объясните, почему (2 балла).

Липиды обладают разнообразным строением, и глицерофосфолипиды – лишь один из примеров. В состав гидрофильной головы могут входить другие спирты (не только глицерин), остаток фосфорной кислоты может быть этерифицирован различными соединениями, в некоторых липидах вообще нет фосфорной кислоты. Поэтому в зависимости от строения гидрофильная голова липида может быть заряжена положительно или отрицательно, а также незаряжена.

5) Из каких липидов (положительно заряженных, отрицательно заряженных или неионных) должна состоять липосома, чтобы лучше связывать во внутренней области

а) ДНК

б) небольшой белок инсулин, растворенный в буфере: (i) с рН 4.5 или (ii) рН 7.0.

Изоэлектрическая точка инсулина (значение рН раствора, при котором общий заряд молекулы равен нулю) равна 5.4 (2 балла).

6) Зачем нужны липосомы при доставке в клетку таких веществ, как ДНК и белки, а также лекарств, например доксорубицина (противораковый препарат, рис. 6)?

Варианты ответов:

а) токсичное вещество

б) легко разрушается в организме ферментами

в) узнается системой выведения и быстро выводится из организма

г) вызывает иммунный ответ

д) вызывает аллергию

е) не проникает в клетки из-за большого размера

ж) не проникает в клетки, потому что имеет заряд

з) не растворяется в воде

Для каждого вещества приведите подходящие варианты ответов (их может быть больше одного) (2 балла).

7) Предложите 2 метода изучения размеров липосомных частиц (2 балла).

Время пребывания обычных липосом в кровотоке невелико (от нескольких минут до нескольких часов). На липосомах легко сорбируются белки плазмы крови, после чего липосомы "заглатываются" макрофагами, которые их разрушают и выводят из организма. Решение проблемы преодоления естественных барьеров для липосом в организме оказалось довольно неожиданным и достаточно простым. Известно, что в состав липосомы могут входить разные липиды. Выяснилось, что клетки, вылавливающие липосомы из крови, можно обмануть, сделав поверхность липосом сильно гидрофильной и как бы недоступной, можно даже сказать невидимой, с помощью добавки липидов, к «голове» которых присоединен гидрофильный полимер (массой от 1000 до 6000 а.е.м.) довольно простого состава. В результате время жизни липосом в кровотоке превысило двое суток. Необычные свойства таких липосом и их высокая терапевтическая эффективность настолько поразили исследователей, что эти липосомы получили образное название "липосомы-невидимки" (stealth liposomes) аналогично известному самолету-невидимке "стелс", который не удается обнаружить с помощью радарных устройств.

8) Какие молекулы должны входить в состав липидного бислоя лекарственных липосом (1 балл), чтобы

а) их не замечала система выведения

б) они направлялись в определенный тип клеток

в) они сливались с клеточной мембраной?

Что у них должно быть внутри (1 балл)?