Биологический каталог




Нейрохимия: Учебник для биологических и медицинских вузов

Автор И.П.Ашмарин, А.Е.Антипенко, В.В.Ашапкин, Г.Г.Вольский, С.А.Дамбинова и

ерывно рождаются и исчезают, что зависит от многих условий — внешних границ, включений и различных воздействий. Магнитное и электрическое поля ориентируют молекулы нематика, причем выстраивают молекулярные оси параллельно своему направлению.

Смектики (от греческого слова — мыло) — похожи на мыльные пленки, они более организованы, чем нематики, их молекулы образуют слои. В каждом индивидуальном слое молекулы передвигаются вдоль плоскости, все плоскости слоев находятся на одном и том же расстоянии. Смектики очень пластичны. Так, смектик в нативной мембране при охлаждении превращается в нематик.

Спиральная упаковка молекул вносит новое в ориентацию оптической оси жидкого кристалла. У холестериков (этот уровень организации дает ряд производных холестерина) — слоистое строение с различным шагом спирали. Холестерическую спираль обозначают нередко как твист-ориентацию. Разбавление холестерика и увеличение шага спирали приводит к нема-тику. Оптическая активность холестериков очень велика, они избирательно отражают свет в зависимости от температуры, механической нагрузки, примесей, электромагнитных полей.

Жидкие кристаллы, сочетая в себе упорядоченность твердого тела и подвижность жидкости, отличаются высокой чувствительностью к внешним воздействиям, температуре, примесям, свету, внешним полям, они очень пластичны и очень долго хранят информацию. Эти свойства приобретают первостепенное значение в мембранах нервной ткани, где изменения электрических свойств лежат в основе проведения возбуждения.

Фазовый переход липидов является эндотермическим процессом, сопровождающимся изменением энтропии и энтальпии. Липидным структурам присущ лиотропный мезоморфизм (зависимость состояния от гидратации) и термотропный мезоморфизм (зависимость структуры от температуры). Оба свойства связаны между собой. Фазовый переход липидов "гель — жидкий кристалл" осуществляется при температуре, значение которой зависит от содержания воды в системе. Оно минимально, если общее содержание воды превышает то количество, которое могут связать липидные структуры. В то же время при температуре выше критической липиды могут находиться в упорядоченном состоянии при недостатке воды. Перекисное окисление липидов, увеличивающее содержание воды в бислое, сущест-

105

венно влияет на фазовое состояние мембраны.

Термотропные фазовые переходы липидов в мембране происходят в сравнительно широком температурном интервале (At -0,2— 1,0°С). Это обусловлено тем, что в бислое одна фаза ("жидкая") обязательно возникает в матриксе другой ("твердой") . Сосуществование в липидном бислое двух фаз устанавливает между ними сложное равновесие, приводя к снижению степени кооперативности перехода. Обычно кооперативные фазовые переходы липидов в мембране затрагивают несколько сотен молекул. В нативной мембране постоянно находится большое число кооперативных единиц той или иной фазы. Этот полиморфизм является мощным регулятором транспортных систем мембраны.

Следует отметить, что на температуру фазового перехода большое влияние оказывают структура липидной молекулы, длина углеводородного скелета, наличие цис- и транс-двойных связей, структура полярных групп.

При переходе в жидко-кристаллическое состояние имеет место несколько одновременных событий: возрастает подвижность полярных групп липидов, увеличивается вращательная подвижность жирнокислотных радикалов относительно С—С-связей, увеличивается скорость латеральной диффузии. Это приводит к изменению геометрических размеров бислоя из-за латерального расширения площади, занимаемой каждой молекулой липида. Например, площадь, занимаемая 2С]6-фосфати-дилхолином, меняется от 0,49 до 0,58 нм2, среднее расстояние между цепями увеличивается от 0,49 до 0,52 нм, а толщина углеводородного скелета уменьшается почти на 0,5 нм, т.е. латеральное расширение компенсируется утончением слоя. Гидрофобный объем мембраны увеличивается примерно на 1,5%.

В результате этих и ряда других изменений состояния липидов в мембране создаются особые условия для проникновения гидрофобных вешеств, изменения работы ионных каналов, внедрения в мембрану различных белков.

Микрогетерогенность бислоя и образование в нем кластеров молекул липидов способствует проявлению такого явления, как разделение (сегрегация) фаз в мембране. Латеральное разделение липидных молекул в плоскости бислоя — важная особенность мембраны. Особая сегрегирующая роль в мембране принадлежит холестерину. При низких концентрациях его в мембране происходит латеральное разделение фосфолипид-холе-стсриновых комплексов и свободных молекул фосфолипидов. При этом холестерин взаимодействует в первую очередь с теми

106

молекулами фосфолипидов, которые имеют низкую температуру фазового перехода. Благодаря этому в бислое будут существовать области только жидкие и только твердые, а также области, где обе фазы сосуществуют. Наличие таких жидких и твердых областей в пределах мембраны изменяет ее сжимаемость, что сказывается на глубине погружения мембранных белков и на эффективности работы мембранных насосов.

Необходимо отметить, что кроме сегрегирующего холестерин проявляет и другое важное влияние на структуру и физические свойства липидного бислоя. Встраивание холестерина в фосфолипидный бислой вызывает как нарушение квазикристаллической упаковки цепей, так и уменьшение подвижности цепей. Эти эффекты холестерина называют, соответственно, "разжижающим" и "конденсирующим". При температуре, превышающей точку фазового перехода фосфолипида, холестерин уменьшает подвижность углеводородных цепей. При добавлении холестерина площадь молекулы лецитина уменьшается с 0,96 до 0,56 нм2. Вот почему высокое содержание холестерина характерно для миелина и плазматических мембран, тогда как внутриклеточные мембраны содержат его в небольших количествах. В плотных миелиновых мембранах фосфолипиды и холестерин содержатся в отношении 1:1, а в менее плотных мито-хондриальных мембранах это отношение равно 3:1 или 8:1. Этот уплотняющий эффект холестерина максимален в районе центрального участка жирнокислотных радикалов и ослабевает в направлении концевых метильных групп. При температуре ниже точки фазового перехода фосфолипидов холестерин разжижает углеводородную область бислоя.

Фазовые переходы липидов при постоянной температуре могут быть вызваны изменениями заряда полярных групп липидов, возникающими при изменениях рН, ионной силы, концентрации ионов. Доказано, что температура фазового перехода есть функция величина заряда и плотности заряда на липид-ной молекуле. Любое увеличение заряда полярных групп благоприятствует жидкому состоянию из-за латерального электростатического отталкивания, тогда как уменьшение заряда обусловливает переход в твердокристаллическое состояние.

Важным путем изменения поверхностного заряда липидов в физиологических условиях является адсорбция катионов. Связывание катионов заряженными липидами сильно зависит от поверхностного потенциала, значительно различающегося в твердом и жидком состояниях из-за различий в молекулярной упаковке.

107

Освобождение или адсорбция катионов на мембранной поверхности может запускать фазовые переходы липидов. При определенных физиологических условиях структурные изменения липидов могут вызывать освобождение двухвалентных катионов с поверхности мембраны. Так, при переходе гель — жидкий кристалл с липидной поверхности освобождаются ионы кальция. Са2+ 'и Mg2+ стабилизируют организованную структуру, увеличивая температуру фазового перехода, а одновалентные катионы оказывают противоположный эффект. Двухвалентные катионы благоприятствуют гелеобразному, а одновалентные — жидкому состоянию мембраны. Поверхность липидов может рассматриваться как резервуар катионов, который способен регулироваться структурными изменениями.

¦ Подводя итог вышеизложенному, можно заключить, что в организации липидов, в их асимметричном размещении, подвижности, модификации внутримолекулярных взаимодействий сокрыты многообразные регулирующие возможности.

4.5. РОЛЬ БЕЛКОВ В ДИНАМИЧНОСТИ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ

Рассматривать динамичность бислоя мембраны без связи с белками нельзя. При липидных структурных перестройках в процесс вовлекаются интегральные, периферические и поверхностные белки мембраны. Более того, белки могут выступать в роли триггеров температурных структурных перестроек мембран, и белку часто принадлежит ведущая роль не только в инициации, но и в реализации структурной перестройки.

Одна из функций липидов в мембране — придание белкам через межмолекулярные взаимодействия оптимальной конфор-мации для функциональной активности (каталитической, транспортной, иммунологической). Липиды могут непосредственно участвовать в катализе. Липидный бислой определяет размещение белков, создает условия для их латерального перемещения и через фазовые переходы выполняет регуляторные функции. Жидкостность липидов влияет как на вращательную, так и диффузную свободу интегральных белков и их способность подвергаться конформационным изменениям. Вращательная и латеральная диффузия белков является отчасти следствием латерального движения мембранных липидов. Широкий спектр липидных молекул делает возможным широкое разнообразие специфических взаимодействий с мембранными белками.

Внедрение белка в фосфолипидный бислой упорядочивает его — в результате структура бислоя становится более жесткой.

108

Считается, что это происходит за счет прилипания и ориентации фосфолипидных молекул, примыкающих к поверхности белка, ограничивающего подвижность этого слоя. У многих мембранных белков те их части, которые погружены в липидный бислой, особенно богаты гидрофобными аминокислотами, что повышает устойчивость их связей с липидами и фиксирует их ориентацию в мембране.

В бимолекулярном слое имеется два пула липидов, подвергающихся существенно различным скоростям диффузии. Один пул липидов находится в короткорадиусном взаимодействии с белками и потому подвергается ограниченной латеральной диффузии. Короткорадиусные взаимодействия могут быть очень специфичными и их может осуществлять только определе

страница 22
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95

Скачать книгу "Нейрохимия: Учебник для биологических и медицинских вузов" (21.4Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.03.2019)