Группе исследователей из Японии под руководством Тахея Тахары (Tahei Tahara) удалось решить сложную задачу определения структуры водных слоев, ассоциированных с клеточными мембранами. Они разработали аналитическую методику, основанную на применении ультракоротких лазерных импульсов, которые позволяют изучить воду, находящуюся в контакте с клеточной мембраной.

Прежде чем подействовать, лекарственные препараты, мишенью которых являются органоиды биологической клетки, должны пройти барьер – сложную систему, образовавшуюся в результате самоорганизации липидов, белков и углеводов. Этот барьер – клеточная мембрана.

Сравнительно недавно исследователи установили, что важную роль в транспорте ионов и малых молекул помимо самих компонентов мембраны играют тонкие слои воды, расположенные на внутренней и внешней поверхности мембран. Однако, к сожалению, большинство методов физического исследования, доступных в настоящее время, не в состоянии отличить воду, входящую в состав внутри- и межмолекулярной жидкости от воды, ассоциированной с клеточной мембраны, поэтому определить, какова структура водных слоев, ассоциированных с клеточными мембранами, представляет собой сложную задачу.

Исследователям из группы Тахея Тахары (Tahei Tahara) удалось решить эту сложную задачу, разработав аналитическую методику, основанную на применении ультракоротких лазерных импульсов, которые позволяют изучить воду, находящуюся в контакте с клеточной мембраной.

С помощью этой методики исследователи обнаружили, что на границе раздела фаз с липидной мембраной вода может образовывать три структуры, связанные с атомами, обладающими как положительными, так и отрицательными зарядами, позволяя получить информацию о локальной гидратации компонентов клеточной мембраны.

Каждая клетка человеческого тела содержит фосфатидилхолины. Их длинные насыщенные углеводородные хвосты позволяют самоорганизоваться, образуя пленки мембраны; такие продукты самоорганизации удерживаются за счет гидрофильных взаимодействий. Фосфатидхолины представляют собой цвиттер-ионы – их полярный фрагмент содержит отрицательно заряженную фосфатную группу и положительно заряженный аммонийный фрагмент.

Ранее исследователи подозревали, что находясь в цвиттер-ионных липидных мембранах, вода может проявлять неожиданные свойства по самоорганизации, и теперь это предположение было доказано на количественном уровне.

Метод Тахары позволил наблюдать за колебаниями лишь тех молекул воды, которые образуют гидратную оболочку фосфатидхолинов. Вместо обычного широкого пика, соответствующего колебаниям связи OH исследователи наблюдали четкий двойной пик, соответствующий наличию положительных и отрицательных компонентов.

Тахара отмечает, что результаты его работы позволяют предложить два различных типа ориентации молекул воды, располагающихся на границе липидного слоя – ориентации “H-вниз”, в которой атомы водорода воды расположены от липидной мембраны и конфигурация “H-вверх” с противоположной ориентацией. При этом молекулы воды с первым типом организации связаны с ионизированной аминогруппой в то время как молекулы со вторым типом организации связаны водородными связями с ионизированным фосфатным фрагментом – такой способ организации ранее не наблюдался для гидратации фосфатидхолинов.