Биофизика - Владимиров Ю.А.
Скачать (прямая ссылка):
кислот). Соответственно изменяется толщина бислоя: в жидком состоянии она
меньше, чем в твердом (рис. 38). Жидкое и твердое состояние бислоя
различается и по многим другим характеристикам: вязкости липидной фазы,
растворимости различных веществ в липидной фазе. Молекулярная основа этих
различий - различия в конформации жирнокислотных цепей. Отдельная
жирнокислотная цепь может принимать множество различных конфигураций
благодаря возможности вращения вокруг одинарных С-С-связей. В липидном
бислое благодаря плотной упаковке молекул реализуются преимущественно две
плоские конформации углеводородной цепи:
р р л
> \ ^ \ \ / -полностью трансконформация
В твердом бислое, как показали данные рентгеноструктурного анализа
монокристаллов фосфолипидов, все молекулы фосфолипида имеют полностью
трансконформацию
с
с
102
углеводородных цепей жирных кислот. Подвижность таких цепей, естественно,
ограничена: они могут совершать лишь небольшие согласованные колебания
или вращательное движение (прецессию) около точки прикрепления жирных
кислот к полярной группе. В жидком бислое возможны тепловые движения
жирнокислотных цепей, сопровождающиеся транс-гошпереходами. Расположенные
рядом, гош-конформации могут образовывать полости в бислое (так
называемые кинки - от английского слова kink - петля), в которых могут
находиться различные молекулы, захваченные из окружающего раствора.
Изменения конформации цепей будут приводить к движению такого "кинка", а
вместе с ним и находящихся в нем молекул вдоль цепи (т. е. поперек
мембраны) или между цепями (т. е. в плоскости мембраны):
Перенос молекулы А в результате диффузии "кинка"
Очевидно, что чем выше подвижность жирнокислотных цепей в мембране, тем
меньше сопротивление диффузии молекул через липидный слой, т. е. тем ниже
микровязкость мембраны.
Будет ли состояние данного бислоя жидким или твердым, зависит от
химического состава липидов, формирующих бислой, числа заряженных групп,
приходящихся на единицу поверхности мембраны, и температуры. Для изучения
фазовых переходов в опыте обычно изменяют температуру образца и следят за
изменением какой-либо характеристики, различающейся у твердой и жидкой
мембраны. Такой характеристикой могут быть растворимость веществ в
мембране, спектры комбинационного рассеяния, светорассеяние суспензии,
форма сигналов ЭПР свободных радикалов в липидной фазе (спиновых зондов),
интенсивность или спектр флюоресценции флюоресцентных зондов и т. д.
Соотношение жидкой и твердой фазы в липидном бислое изменяется при
нагревании. Температура, при которой половина молекул фосфолипидов в
системе входит в твердый бислой, а половина -в жидкий, называется темпе-
103
ратурой фазового перехода, или температурой плавления (Тс). Тс
синтетических фосфолипидов, содержащих две насыщенные жирные кислоты в
каждой молекуле, выше 0° С. Тс фосфолипидов, в состав которых входит хотя
бы одна ненасыщенная жирная кислота (что характерно для биологических
мембран), находятся в области отрицательных температур по шкале Цельсия.
Таким образом, в функционирующих биологических мембранах липидный слой
находится в жидком состоянии. При охлаждении органов, тканей и отдельных
клеток до температур ниже -10- -30°С в мембранах происходит
последовательное "вымораживание" тех липидов, для которых Тс оказывается
выше температуры окружающей среды. Образующиеся твердые участки липидного
слоя ("домены") имеют иной химический состав, чем жидкие участки;
растворенные в липидной фазе мембран низкомолекулярные соединения и белки
вытесняются при этом в жидкокристаллические области мембраны. Такое
явление разделения фаз и последующая полная кристаллизация липидного слоя
могут сопровождаться необратимыми изменениями в мембранах и явиться одним
из факторов, снижающих жизнеспособность клеток при консервации клеток и
тканей методом глубокого охлаждения .
Фазовые переходы представляют собой кооперативный процесс, т. е. процесс,
который происходит одновременно в участке мембраны, содержащей несколько
фосфолипидных молекул, по закону "все или ничего". Число молекул,
входящих в такой участок, называют размером кооперативной единицы.
Изучение фазовых переходов и оценка размеров кооперативных единиц при
плавлении фосфолипидных бислоев осуществляются в настоящее время
преимущественно методом микрокалориметрии. С помощью прибора, называемого
дифференциальным сканирующим микрокалориметром, измеряют теплоемкость
суспензии фосфолипидов (в качестве образца сравнения берут
соответствующий водный раствор) при разных температурах в области
фазового перехода. Типичная кривая температурной зависимости теплоемкости
для синтетического липида дистеа-роилфосфатидилхолина приведена на рис.
39. В области фазового перехода происходит резкое возрастание
теплоемкости, максимум на кривой соответствует Тс. Площадь под кривыми,
приведенными на рис. 39, указывает общее количество тепла AQ,
поглощаемого при переходе из твердого состояния липидного слоя в жидкое.