Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

составляет около -25 кал/А2. Для углеводородов с неразветвленной цепью гидрофобность составляет около - 800 кал/моль в расчете на одну —СНг-группу. Другими словами, при увеличении длины цепи на два метиленовых звена константа равновесия увеличивается в 10 раз.

Структура и свойства мембранных липидов 75

О ^-1-1-1-1-'-1—

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Площадь,относительные единицы

Рис. 2.16. Зависимость свободной энергии переноса углеводородов из липидной фазы в водный раствор при 2S °С от относительной площади поверхности молекулы [1212]. Площадь поверхности изобутана в принятом здесь масштабе составляет 1,45.

2.3.2. ОБРАЗОВАНИЕ МИЦЕЛЛ

Рассмотрим, что происходит при растворении углеводородов с длинной цепью в воде. Из-за весьма неблагоприятных «гидрофобных» взаимодействий, описанных в - предыдущем разделе, их растворимость будет очень мала. Такие углеводороды, как додекан (Си), смогут растворяться в воде лишь до определенной концентрации, а выше этой концентрации они будут образовывать отдельную фазу. При дальнейшем добавлении до декана будет просто увеличиваться содержание додекановой фазы, а концентрация додека-на, растворенного в воде, не изменится (рис. 2.17).

Посмотрим теперь, что произойдет при попадании в воду амфи-фильной молекулы, например додецилсульфата натрия (ДСН). Молекула этого типичного детергента состоит из неполярной части (додецильной цепи) и из сильно заряженной полярной группы (сульфата), расположенной на одном из концов цепи. Когда достигается предел растворимости мономерной формы этого детергента, он также образует отдельную фазу. Однако в данном случае эта «фаза» диспергирована в виде небольших агрегатов, называемых мицеллами, по всему объему воды. Поскольку взаимодействия между полярной головкой (в данном случае сульфатом) и водой являются более предпочтительными, то энергетически выгодно, чтобы эта

76 Глава 2

Рнс. 2.17, Схема, иллюстрирующая аналогию между пределом растворимости н критической концентрацией мицеллообразоваиия (ККМ). Алкаиы растворяются в воде ло определенной концентрации, прн которой начинает образовываться отдельная фаза (А). Амфифильные соединения, каковыми являются детергенты, растворяются вплоть до точки, определяемой как ККМ, где начинают образовываться мицеллы (Б). На рис. Б схематически представлены два варианта поперечного сечения сферической мицеллы. Слева — обычное изображение мицеллы; оно не отражает реальности, поскольку в этом случае плотность вещества в центре мнцеллы оказывается выше, чем по периферии, а цепи не могут упаковываться подобным образом. Справа — изображение, основанное на статистических данных о состоянии цепей [336]; оно более адекватно реальной упаковке углеводородных цепей в мицелле.

часть молекулы контактировала с водой, а ее неполярная область была исключена из такого контакта. Концентрация, при которой 50% детергента находятся в составе мицелл, называется критической концентрацией мицеллообразоваиия (ККМ). С практической точки зрения удобнее определять ККМ как концентрацию, при которой начинают образовываться мицеллы. ККМ соответствует пределу растворимости молекул в мономерном состоянии. Дальнейшее добавление додецилсульфата приводит к увеличению концентрации мицелл.

Липидные агрегаты или мицеллы могут иметь разные размеры и форму. Так, додецилсульфат образует в воде сферические мицеллы, содержащие около 60 молекул на мицеллу. Некоторые детергенты и амфифильные молекулы могут образовывать как глобулярные, так и цилиндрические агрегаты. Фосфолипиды спонтанно агрегируют с образованием бислоев, которые по сути представляют собой своеобразную разновидность мицелл. Причины, по которым природные фосфолипиды образуют стабильные бислой, будут рассмотрены в следующем разделе. А здесь мы проведем количественный анализ связи между гидрофобностью и ККМ.

Структура и свойства мембранных липидов 77

Водный раствор амфифильного соединения может состоять из смеси разных форм, включая мономеры (N = 1) и различные агрегаты из большого числа молекул. В равновесии химический потенциал амфифильного соединения в каждой из форм будет одинаковым 1683, 682]:

о кТ

= v-n + \n(XN/N) = Константа, одинаковая для всех N, (2.3)

где fiN — стандартный химический потенциал агрегатов, содержащих N молекул, Х\ — мольная доля амфифильных молекул в агрегатах, содержащих N молекул, к — константа Больцмана, Т — температура. Для простоты рассмотрим монодисперсную систему с М молекулами на один агрегат. Это означает, что есть только один тип агрегатов с N = М, находящихся в равновесии с мономером. Хотя это и явное упрощение, но оно вполне приемлемо для молекул, образующих сферические мицеллы или небольшие моноламел-лярные везикулы. Теперь рассмотрим условия равновесия системы при критической концентрации мицеллообразоваиия и представим ККМ как такую концентрацию, при которой Х\ = Хм(^ХККМ):

ц\ = цм,

1st

ц\ + kTln(XKKM) = ц°м + ~1п(Хккм/М), или м

AG°HU = ip.lt- tf) = kTIn(ХККМ). (2.4)

Основной вклад в величину ДО°иц дает свободная энергия гидрофобного переноса за счет вытеснения воды из неполярных областей амфифильных агрегатов при формировании мицеллы. Обратите внимение, что более отрицательные величины AG„„U соответствуют меньшим значениям А"ккм, т. е. очень гидрофобные молекулы стремятся агрегировать при более низких концентрациях. Фактически для простых амфифильных молекул с одной углеводородной цепью, как в случае алкилсульфатов (например, додецилсульфата), зависимость ДОмнц от длины цепи очень близка к зависимости ДОперенос ДЛ* алкильных цепей от их длины [уравнение (2.2)]. С точки зрения термодинамики перенос неполярных групп из воды в жидкий углеводород аналогичен их переносу во внутреннюю гидрофобную область мицеллы. Количественно это выражается в том, что при каждом увеличении длины цепи на два метиленовых звена ККМ уменьшается примерно на порядок.

В случае мембран это означает, что для природных фосфолипидов, которые обычно имеют две длинные алкильные цепи на молекулу, гидрофобная составляющая AG„„U очень сильно благоприятствует их переходу в агрегированное состояние (бислой). Величина

78 Глава 2

ККМ для таких липидов составляет <10~'°М. Другими словами, в большинстве случаев концентрация мономерных фосфолипидов, находящихся в равновесии с мембраной, пренебрежимо мала. Поэтому для связывания и переноса мономериых форм липидов внутри клетки или между клетками природа создала специальные белки. Они будут рассмотрены в гл. 10.

2.3.3. ФОРМА МИЦЕЛЛ: ПОЧЕМУ ОБРАЗУЕТСЯ БИСЛОЙ?

В предыдущем разделе было показано, что в водном растворе природные фосфолипиды самопроизвольно агрегируют. Чем же определяется форма мицелл? Следует напомнить, что некоторые природные липиды, например фосфатидилэтаноламин с ненасыщенными жирнокислотными цепями, не образуют стабильных бислоев при диспергировании в воде. Чтобы выяснить механизмы, лежащие в основе стабильности бислоя, и понять, почему некоторые мембранные компоненты способствуют формированию небислойных структур, необходимо более глубоко рассмотреть термодинамику этих систем и обсудить, как форма липидных молекул влияет на их упаковку в мицеллах. Читатели, интересующиеся лишь качественной стороной проблемы, могут опустить этот раздел и сразу перейти к следующему.

Почему мембранные фосфолипиды не образуют глобулярных мицелл? При обсуждении вопроса об упаковке амфифильных молекул в мицеллах определенной геометрии (например, сферических) следует рассмотреть стерические требования к упаковке с двух точек зрения. Неполярная часть молекулы характеризуется определенным молекулярным объемом (и) и максимальной длиной этого участка [605]. Без учета других характеристик эти два параметра будут определять максимальный радиус сферической мицеллы, а также число молекул, входящих в мицеллу. Другой параметр, который следует принять во внимание, — это оптимальная площадь, поверхности, занимаемой полярной головкой (So). У природных фосфолипидов площадь, приходящаяся на молекулу в некоей сферической мицелле, будет намного больше, чем требуется для оптимальной упаковки головок, и эти амфифильные соединения не образуют стабильных сферических мицелл. Мы сначала оценим факторы, которые определяют оптимальную площадь поверхности на молекулу для амфифильных веществ на поверхности мицеллы, а затем посмотрим, как величина этой площади отражается на критическом параметре упаковки, который определяет, какая форма мицелл является более предпочтительной для того или иного амфи-фильного соединения.

Структура и свойства мембранных липидов 79

Оптимальная площадь поверхности, приходящаяся на молекулу

Теоретически распределение липидов между различными агрегированными структурами (например, сферическими мицеллами, би-слоями, цилиндрическими мицеллами и т. п.) определяется химическим потенциалом стандартного состояния (или средней свободной энергией) молекул в каждой структуре, ц%. Чтобы продолжить рассмотрение, необходимо раскрыть смысл параметра nN с учетом геометрии мицелл. Следуя представлениям Израелашвили и др. [683, 682], примем, что величина химического потенциала молекулы, имеющей среднюю площадь поверхности S и находящейся в составе мицеллы с параметром агрегации N, имеет три составляющие. Именно зависимость ц% от средней площади, приходящейся на молекулу, позволяет объяснить геометрическую форму мицелл:

,i% = yS+ C/S + Н». (2.5)

1 2 3

Слагаемые 1 и 2 отражают вклад сил притяжения и отталкивания на поверхности мицеллы, а слагаемое 3 представляет собой суммарную энергетическую составляющую, относящуюся к объемной фазе мицеллы. Физический смысл этих составляющих нетрудно понять. Ны (слагаемое 3) — это свободная энергия, связанная с ал-кильиыми цепями. В первом приближении она одинакова для всех мицелл, в которых алкильные цепи изолированы от воды и образуют углеводородоподобную фазу. Этот член, а точнее величина (Hn - Hi), зависит от длины цепи неполярной части молекулы и тем самым определяет ККМ. Таким образом, величина (HN - Hi) является мерой гидрофобности.

Слагаемые 1 и 2 отражают энергетический вклад межмолекулярных взаимодействий на границе раздела вода—углеводород. Их величина зависит от плотности упаковки липидных молекул в мицелле, а следовательно, от формы мицеллы. Наиболее благоприятна такая форма, которая минимизирует свободную энергию системы. Попытаемся понять это (по крайней мере качественно), исходя из следующих простых термодинамических представлений.

Слагаемое Г. yS, поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Этот член, отражающий силы притяжения, эквивалентен поверхностному натяжению, стабилизирующему границу раздела жидкость—жидкость в системах вода—углеводород. 7 — это коэффициент поверхностного натяжения; он имеет размерность энергии в расчете на 1 см2 и обычно равен примерно 50 эрг/см2. Эта величина эквивалентна работе, совершаемой при изменении площади поверхности на 1 см2 при поверхностном давлении 50 дин/см. Поверхностное натяжение можно также рассматривать как «отрицательное давление», возникающее за счет различных сил межмолеку-

80 Глава 2

лярного притяжения на границе раздела фаз. В этом случае оно имеет размерность дина/см и составляет около 50 дин/см.

Слагаемое 2: C/S, силы межмолекулярного отталкивания. В первом приближении их можно представить как сумму всех сил отталкивания на границе раздела фаз, включая электростатические и стерические. Главной особенностью этого члена является то, что все входящие в него силы отталкивания обратно пропорциональны средней площади, приходящейся на молекулу на гидрофобной поверхности мицелл. Другими словами, чем плотнее упакованы молекулы (малая площадь на молекулу), тем сильнее становятся эти взаимодействия и тем неблагоприятнее их влияние.

Эти два слагаемых лежат в основе предложенного Тэнфордом принципа действия противоположных сил [1432]. Стремлению молекул к ассоциации противодействуют силы отталкивания, объединенные константой С, что в конечном счете определяет оптимальную упаковку молекул в бислое.

Величину S, отвечающую оптимальной упаковке, можно получить, положив dn%/dS = 0, т. е. минимизировав свободную энергию по площади поверхности, приходящейся на молекулу. Это дает

So = VCAy". (2.6)

Даже при таком сверхупрощенном рассмотрении видно, что So задается молекулярной константой С. Например, можно ожидать, что для додецилсульфата будет иметь место сильное электростатическое отталкивание между заряженными сульфатными группами на поверхности мицеллы (что соответствует высоким значениям С), и это приведет к большим значениям So, особенно при низкой ионной силе. И в самом деле, полярная головка этой молекулы занимает большую площадь на поверхности мицеллы, удерживая группы на достаточном удалении друг от друга. Это взаимодействие и определяет сферическую форму мицелл додецилсульфата. Чтобы убедиться в этом, проведем следующее рассмотрение.

Геометрия мицелл и критический параметр упаковки

Говоря о наиболее стабильной геометрии мицелл, следует принять во внимание три молекулярных параметра.

1. So, оптимальная площадь поверхности, занимаемой молекулой на гидрофобной поверхности раздела. Она частично зависит от свойств раствора, особенно ионной силы в случае заряженных молекул.

2. /, максимальная длина алкильной цепи в простых амфифильных молекулах с одной цепью и в фосфолипидах. Она определяет

Структура и свойства мембранных липидов 81

верхний предел размера мицелл, например радиус сферической мицеллы или толщину бислоя. Обратите внимание, что мицеллы никогда не имеют полостей или дырок, поэтому радиус сферической мицеллы не может превышать /, хотя и может быть меньше этой величины. Обычно он несколько меньше длины максимально вытянутой цепи, имеющей полностью-транс-конфигурацию.

3. v, молекулярный объем углеводородной области амфифиль-ной молекулы. Объем мицеллы, ограничиваемый границей раздела фаз углеводород—вода, считают равным Mv, где М — число молекул в мицелле.

Площадь поверхности, приходящейся на единицу объема, зависит от геометрии мицеллы, и именно этим в конечном счете определяется, какие мицеллы образуются различными амфифильными соединениями. Рассмотрим некоторые возможные формы мицелл.

1. Сферы. Если размер определяется длиной углеводородной цепи, то из всех возможных структур сфера имеет наибольшее отношение поверхности к объему; к образованию мицелл такой формы особенно склонны липиды с большой величиной So, такие, как до-децилсульфат.

2. Деформированные сферы. Для них характерно меньшее значение отношения поверхность/объем, чем для сфер:

а) эллипсоиды: по-видимому, их образование маловероятно [682], поскольку на некоторых участках поверхности (например, по краям сплющенного эллипсоида) упаковка молекул в высшей степени невыгодна;

б) глобулы: состоят как бы из двух слившихся сфер. Их образование считается весьма вероятным [682].

3. Стержни и цилиндры. Характеризуются еще более низким отношением поверхность/объем. По краям, по-видимому, имеют закругления в виде полусфер, позволяющие устранить контактирование воды с неполярной областью при сохранении приемлемой упаковки молекул.

страница 10
< 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 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.10.2017)