Биологические мембраны: структурная организация, функции, модификация физико-химическими агентами - Артюхов В.Г.
ISBN 5-7455-1162-1
Скачать (прямая ссылка):
1.1.2. Физико-химические и динамические свойства и функции липидов мембран
В водной среде мембранные липиды ведут себя как анизотропные жидкости, обладающие свойствами жидких кристаллов. В жидком кристалле сочетаются особенности кристалла (дальний порядок организации, дву лучепреломление) и жидкости (образование капель и текучесть). Всем жидким кристаллам свойствен полиморфизм, т. е. они могут существовать в нескольких жидкокристаллических фазах. Даже индивидуальные очищенные липиды в гидратированном состоянии могут находиться в нескольких структурных модификациях. Преобладание того, или иного типа структуры определяется целым рядом факторов: концентрацией липида, температурой, величиной pH, ионной силой, давлением. Формирование мезоморфных структур фосфолипидов мембран зависит от соотношения липид/вода (лиотропный мезоморфизм) и от температуры (термотропный мезоморфизм).
Сочетание в молекуле липида полярного и неполярного компонентов, т. е. дифильность, обусловливает ее амфицатические свойства и, следовательно, способность к образованию мембран. Наиболее энергетически выгодным положением для молекул липидов является формирование мономолекулярного слоя на поверхности раздела масло — вода или вода — воздух (рис. 3). При достижении определенной концентрации липида — критической концентрации мицеллобразования (ККМ) его молекулы объединяются в замкнутые агрегаты — мицеллы, в которых полярные головки обращены к воде, а гидрофобные хвосты направлены внутрь. Для большинства липидов ККМ составляет менее 1 %. При более высокой концентрации формируется бимолекулярный липидный слой (ламеллярная структура). Для ламеллярной жидкокристаллической фазы (La) характерно упорядоченное расположение слоистых структур при значительной неупорядоченности ацильных цепей. Считают, что именно в этой фазе находится основная масса липидов биомембран. Ламеллярная гелевая фаза (Lp) образуется при низкой температуре теми липидами, которые формируют слоистые структуры. В этой фазе молекулы упакованы более плотно (на молекулу приходится меньшая площадь поверхности), а углеводородные цепи более упорядочены и находятся преимущественно в транс-конфигурации. Так как цепи максимально вытянуты, толщина бислоя в фазе геля выше, чем в жидкокристаллической фазе. В случае образования гексагональ-
2*
19
А
ШН
nm
Б
1 - 2 -
*J! И И
ШП з
Рис. 3. Типы структурной организации водно-липидных систем: А — воздух; Б — вода; 1 — монослой липидов; 2 — мицеллы фосфолипидов в воде; 3 — ламеллярная жидкокристаллическая фаза La; 4 — ламеллярная гелевая фаза Lp; 5 — гексагональная фаза типа I; 6 — гексагональная фаза типа II
ной фазы I (Нх) липидные молекулы формируют цилиндрические структуры, поверхность которых образована полярными головками и контактирует с водой. Цилиндры упаковываются с образованием гексагональной решетки. Липиды в гексагональной фазе II (Ыц) также образуют цилиндры, но полярные группы обращены внутрь цилиндра и формируют водный канал. Следует отметить, что некоторые липиды (ненасыщенные фосфати-дилэтаноламины, моногалактозилдиацилглицерол) не образуют стабильные бислои, а находятся в гексагональной фазе Нп. Для изучения типов структурной организации водно-липидных систем используют метод дифракции рентгеновских лучей, а также дифференциальную сканирующую калориметрию, электронную микроскопию и метод ЯМР.
Термотропный мезоморфизм — это зависимость состояния липидных молекул от температуры. В твердой или гелеобразной фазе углеводородные цепи ориентированы строго параллельными зигзагами. После фазового перехода в жидкокристаллическое состояние, который определяется температурой и аналогичен процессу плавления, углеводородные цепи становятся подвижными. “Жидкое” состояние мембранных липидов необходи-
мо для нормального функционирования всех биомембран, причем степень вязкости зависит от функциональных особенностей мембраны. В среднем вязкость нормальной мембраны соответствует примерно вязкости оливкового масла. Термотропный мезоморфизм существенно зависит от природы жирных кислот и полярной головки липидов. Так, увеличение числа двойных связей и укорочение углеводородных цепей приводят к снижению температуры фазового перехода.
Вышеописанные свойства липидов взаимосвязаны друг с другом. Температура фазового перехода зависит от содержания воды в анализируемой системе.
Различные липиды способны к формированию разных мезоморфных структур, что обусловлено особенностями строения молекул и соотношения объемов полярных головок и углеводородных хвостов. Липиды с электронейтральной головкой (фосфати-дилхолин, фосфатидил этанол амин, сфингомиелин) образуют ламеллярную фазу. Липиды с отрицательно заряженными головками вследствие действия электростатических сил отталкивания формируют мицеллярные или гексагональные структуры. В случае равенства объемов, занимаемых полярными головками и углеводородными хвостами, молекулы липида имеют цилиндрическую форму и образуют бислой (фосфатидилхолин). Если объем полярной головки больше объема углеводородных цепей (лизо-фосфолипиды), то молекула имеет форму перевернутого конуса и в водном растворе находится в мицеллярной фазе. Если объем полярной головки меньше объема углеводородных цепей (ненасыщенный фосфатидилэтаноламин, кардиолипин в присутствии ионов Са2+, фосфатидная кислота), то молекула липида имеет форму конуса и образует гексагональную фазу типа II. В целом способы упаковки различных липидов с учетом геометрической формы их молекулы определяются следующими параметрами: молекулярным объемом неполярной части молекулы V, максимальной длиной этого участка 1, оптимальной площадью поверхности, занимаемой полярной головкой S0. Критический параметр упаковки липидов представляет собой величину V/1S0.
