Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

4. Бислой. Имеет наименьшее отношение поверхность/объем; легче всего его образуют липиды с большим молекулярным объемом (например, липиды с двумя алкильными цепями). Обратите внимание, что диски и плоские фрагменты бислоя энергетически весьма невыгодны из-за контактирования их краев с водой. При замыкании бислоя в сферические везикулы (липосомы) этот краевой контакт устраняется. Замыканию благоприятствует и энтропийный фактор, поскольку при этом образуются частицы меньших размеров, чем протяженные плоские фрагменты бислоя. Однако некоторые белки и пептиды стабилизируют фосфолипидные диски (гл. 3).

Зная параметр v/lSo, можно предсказать, какие мицеллы будут преимущественно образовываться теми или иными молекулами. Этот параметр называется критическим параметром упаковки и

82 Глава 2

зависит от объема и длины неполярного участка молекулы, а также от оптимальной площади поверхности полярной головки.

Рассмотрим, например, сферическую мицеллу радиусом R, содержащую М молекул.

Полная поверхность мицеллы = MSo = 4*7? , Полный объем мицеллы = Mv = (4/3) rR ,

так что радиус мицеллы

R = 4-

Поскольку радиус мицеллы не может быть больше / (R ^ /) — максимально возможной длины углеводородной цепи липидной молекулы, то условие упаковки липидов в сферические мицеллы будет выглядеть как

5 « ,/3' <2J)

Аналогичные расчеты легко провести также для мицелл цилиндрической формы и для плоского бислоя. Критические параметры в этом случае будут равны

Цилиндр: (v/lSo) = 1/2, (2.8а) Бислой: (v/lSo) = 1. (2.86)

Отсюда следует, что при заданных v, I и So, если величина (v/lSo) < 1:3, то будут образовываться сферические мицеллы, если 1/3 < v//So < 1/2, то мицеллы будут глобулярными или цилиндрическими, а если 1/2 < v//So < 1, то липиды будут образовывать стабильный бислой. Наличие двух длинных ацильных цепей в природных фосфолипидах увеличивает объемную составляющую (молекулярный объем v), именно это и приводит к формированию стабильного бислоя. У фосфолипидов с одной цепью, какими являются большинство синтетических детергентов, параметр v/lSo лежит между 1/3 и 1/2, поэтому они не образуют стабильных бислоев. По тем же причинам не образуют стабильных бислоев диацильные фосфолипиды с очень короткими цепями (например, с п = 6).

Особый интерес представляет случай, когда природные липиды характеризуются параметром v/lSo > 1 и, следовательно, не образуют стабильных бислоев. Эти липиды, имеющие относительно небольшие полярные головки, как мы уже видели, формируют обращенную гексагональную фазу (Нп). Их роль в биологических мембранах неясна, хотя и служит предметом активного обсуждения [263, 1041, 533, 303, 267].

Структура и свойства мембранных липидов 83

2.3.4. ФОРМА ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ

Итак, мы начали с рассмотрения термодинамических аспектов агрегации липидов. Однако ясно, что качественный анализ можно провести, проанализировав способы упаковки различных липидов с учетом геометрической формы их молекул. Это четко видно при сопоставлении общей формы липидных молекул, в частности при сравнении площади поперечного сечения углеводородного участка молекулы, примерно равной v/l, с оптимальной площадью поверхности, необходимой для размещения полярной головки So. Такой подход мы использовали, когда анализировали различия в характере упаковки фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина в кристаллах и в фазе геля бислоя (см. разд. 2.1, 2.2). Упрощенно липидные молекулы можно представить в виде конусов, цилиндров или перевернутых конусов в зависимости от соотношения между этими двумя величинами. На рис. 2.18 схематично показаны все эти формы и приведены конкретные примеры. Конечно, это — образное

Липид Фаза Форма молекула/ Критический параметр упаковки (v/lS0)

Лизофосфолипи ды Детергенты Мицеллярная "Т" Перевернутый нонус < 1/з (Сфера) От Уз до Уг (Глодулярнь/е структуры; стержни)

Фосфа ти дил холин Сфингомелин Фосфатидилсерин Фосфатидилинозитол Фосфатидилглицерол Фосфатидная кислота Кардиолипин Ди га лактозилдигли -церид ваш бислойная ¦ Цилиндр От '/2Йо\

Фосфатидилэтаноламин (ненасыщенный) Кардиолипин - Са2 * г, Фосфатидная /гислота-d (рН<6,0) Фосфатидная тслота (рн < 3,0) Фосфатидилсерин (рн<ч,0) Монозалактозилдигли-церид Ил) к Конус 1

Рис. 2.18. Полиморфные фазы, форма молекул и критический параметр упаковки для некоторых мембранных липидов [263]. Рисунок любезно предоставили д-р P. Cullis и д-р М. Норе.

84 Глава 2

представление результатов термодинамического анализа, проведенного в предыдущих разделах, но оно позволяет легко осмыслить хотя бы на качественном уровне большой массив экспериментальных данных. На основе простого рассмотрения формы липидных молекул можно понять роль отдельных липидов в бислое, например в отношении стабилизации участков мембраны с большой кривизной и упаковки молекул вокруг мембранных белков (263, 1041, 533, 303, 267].

2.4. Фазовые переходы в липидных системах

Термодинамика фазовых переходов в липидных системах изучалась во многих экспериментальных [829] и теоретических [1048, 1163, 1008] работах. Сами термодинамические параметры (например, температура перехода, АН0, AS0) не несут структурной информации, однако они зависят от физико-химических свойств липидных молекул. Конечной целью этих исследований является количественное и качественное описание фазового состояния биологических мембран, в частности поведение фосфолипидов в бислое и влияние различных соединений (например, белков и холестерола), нарушающих структурную организацию мембран. Эта задача пока далека от своего решения, тем не менее удалось достичь значительных успехов в создании концепций и моделей, основанных на изучении простых систем, начиная с водных дисперсий гомогенных липидов и кончая бинарными смесями различных фосфолипидов с холесте-ролом или с отдельными белками, встроенными в бислой. Следует, однако, иметь в виду, что, как правило, биологические мембраны не претерпевают фазовых переходов, поэтому большая часть материала, обсуждаемого в этом разделе, не относится прямо к биологическим мембранам. Однако основные физико-химические аспекты поведения липидов и липидно-белковых систем распространяются и на биологические мембраны, особенно если речь идет о возможной латеральной гетерогенности мембран (см. разд. 4.5) и о механизмах взаимодействия компонентов в бислое.

Лучше всего изучен фазовый переход липидов между ламелляриой гелевой и жидкокристаллической фазами. Кроме того, изучался переход между ламелляриой и обращенной гексагональной (Нц) фазами, а также между другими мезоморфными липидными структурами. В зависимости от природы изучаемого липида фазовые переходы можно индуцировать несколькими способами, например изменяя давление [215], температуру [1444, 1120], ионную силу или рН [194, 1467]. Чаще всего изучают температурные переходы, и не только потому, что они могут происходить в организмах, неспособ-

Структура и свойства мембранных липидов 85

ных к терморегуляции (см. разд. 10.5), но и потому, что их относительно легко исследовать и с высокой точностью измерять соответствующие параметры. Так, были измерены теплоемкость и величина АН0. Эти параметры можно использовать при сравнении изучаемых объектов с теоретическими моделями. Для проведения таких измерений обычно применяют дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК).

2.4.1. ДИФФЕНЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ (ДСК) (56, 949]

Этот метод позволяет получить исключительно важную информацию о термодинамике модельных и биологических мембран. С его помощью регистрируют и исследуют изменения фазового состояния липидов, а также характеризуют нарушения этого состояния при взаимодействии липидов с другими веществами (белками, ионами или малыми гидрофобными молекулами). При ДСК образец и инертный стандарт нагревают независимо, так чтобы их температура была одинаковой. При этом количество тепла, необходимого для эндотермического перехода бислоя из состояния геля в жидкокристаллическое состояние, превышает количество тепла, необходимого для поддержания стандарта при такой же температуре. Затем строят зависимость разности потоков тепла от температуры. С помощью высокочувствительных калориметров можно проводить измерения в разбавленных водных суспензиях липидов (1 мг/мл при общем объеме образца до 1 мл). Этим методом определяют обычно следующие параметры.

1. Температуру перехода Гс, соответствующую началу перехода.

2. Среднюю точку перехода Тт, соответствующую середине перехода.

3. Энтальпию перехода АН — количество тепла, необходимое для осуществления перехода в расчете на моль вещества или единицу массы.

4. Теплоемкость Ср — количество тепла (в расчете на грамм или на моль), необходимое для повышения температуры образца на Один градус.

86 Глава 2

Дополнение 2.2. Средняя точка фазового перехода и его ширина

Для перехода между двумя состояниями Тт определяется как точка, в которой AG0 = 0:

ДС7° = 0 = АН0 - TmAS°,

Тт = АН/AS0. (2.9)

Эти соотношения можно использовать для нахождения AS0, энтропии перехода, после измерения Тт и АН0.

Важным параметром является ширина перехода. Ее определяют по наклону графика Вант-Гоффа. Экспериментальные данные анализируют в рамках модели двух состояний (например, фазы геля и жидкокристаллической фазы) и по глубине перехода рассчитывают долю этих состояний при разной температуре. При Тт доля каждой из фаз по определению составляет 0,5. Константа равновесия К равна

^ _ Доля жидкокристаллической фазы ^ ю)

Доля гелевой фазы

График Вант-Гоффа представляет собой зависимость In А' от 1/7"; из его наклона, равного AH°vH/R, можно найти энтальпию перехода в кал/моль. Однако ее относят на моль кооперативной единицы, которая фактически претерпевает переход. Если липиды плавятся как ансамбль из 100 молекул, представляющий собой «кооперативную единицу», то AH°vH должна в 100 раз превышать «калориметрическое» значение АН^, получаемое непосредственно из данных ДСК и отнесенное на моль липида.

Таким образом, плавлению большой кооперативной единицы или высокооперативному температурному фазовому переходу соответствует большой наклон графика Вант-Гоффа (большие АН^Н). Чем меньше ДЯ^Н, тем шире (менее кооперативны) фазовые переходы.

Размер кооперативной единицы определяется по формуле

АН0

Кооперативная единица = —ург~- (2.11)

Основная проблема состоит в том, что уширение перехода может происходить и по ряду других причин, чаще всего из-за присутствия в липидном бислое очень небольшого количества примесей [16]. Однако обычно связывают изменение ширины перехода в липидном бислое при добавлении «пертурбантов» (например, белков или холестерола) с изменением характера межмолекулярных взаи-

Структура и свойства мембранных липидов 87

модействий углеводородных цепей, приводящих к уменьшению размера кооперативной единицы Часто добавление пертурбантов сопровождается снижением АН°т, что обычно объясняют некой

ZZZOST ЧаСТ«И ЛИПИДНЫХ МОЛСКУЛ И «^^ием их в фазовом кдоде основной массы липидов. Таким действием обладают не которые мембранные белки (например, Са2 + -АТРаза) [526].

^,vha^' 219 пРадсТавлен" кРивые ДСК, полученные для некоторых фосфолипидов. Фазовым переходам между гелевой и жидко-

ХиТГ^Г *а3аМИ соответ™^ Резкий скачок теплоемкое УЗК°М ТемператУР«ом интервале. Переход липида Из гелевой фазы в жидкокристаллическую требует затрат тепла и

§ 500

Димиристоилфосфатидилхолин

И

_ Димиристоилфосфатидил -' этанола мин

- Димири стоилфосфатидна я кислота

20

30

40

50 60 Г,°С

70

80

Гелевая фаза

Рифленая фаза Жидкокристаллическая фаза

Фосфатидил\ холин

Фосфатидилэтаноламин

- штт шшшш .. тшт шшшш

ттт

('((((((([((([((и

Лк. 2.19. А. Кривые ДСК для трех фосфолипидов П121 с ¦».-"ой организации фосфатидилхолина 1 Зависимость молекуляр-

ч- "цагидилхолина и фосфатидилэтаноламииа от температуры [112].

88 Глава 2

этот процесс нередко сравнивают с обычным плавлением, например с переходом лед—жидкая вода. Среднюю точку теплового перехода часто называют температурой плавления. Этот переход считается переходом первого рода, и теоретически он характеризуется бесконечной теплоемкостью при температуре перехода. На практике, однако, такие переходы часто совершаются в температурном интервале шириной в несколько градусов. Основной причиной уширения многих переходов в случае однокомпонентных липидных систем является присутствие небольших количеств примесей. Так, фазовый переход высокоочищенного дипальмитоилфосфатидилхолина является довольно резким, но он очень чувствителен к наличию примесей [16].

Температура плавления липидов определяется соотношением между целым рядом противодействующих факторов. С точки зрения энтропии разупорядоченные цепи в жидкокристаллическом состоянии, характеризующиеся наличием гош-конформеров, более выгодны, чем высокоупорядоченные цепи в гелевом состоянии, имеющие полностью-т/?янс-конфиругацию..Однако в относительно более упорядоченной фазе геля создаются более благоприятные условия для вандерваальсовых взаимодействий. Кроме того, уменьшение площади поперечного сечения ацильных цепей в упорядоченном состоянии приводит к сближению соседних полярных головок. Такое сближение может быть выгодным с точки зрения образования межмолекулярных водородных связей или ионных связей между двухвалентными катионами металлов (например, Са2+) или неблагоприятным, если оно сопровождается стерическими взаимодействиями между объемистыми группами или электростатическим отталкиванием одноименно заряженных групп. В этих случаях сильное влияние на величину Тт того или иного липида могут оказать рН, ионная сила и присутствие двухвалентных катионов. По мере повышения температуры энтропийные эффекты в конечном счете становятся преобладающими, что приводит к стабилизации состояния с повышенным содержанием гош-ротамеров.

Изменения характера взаимодействия между полярными головками (например, при изменении ионной силы) влияют на Тт потому, что от них зависит АН0, а Тт = Aff0/AS0. Например, при повышении ионной силы ослабляется электростатическое отталкивание между фосфатными группами в бислоях фосфатидной кислоты. Однако этот эффект наиболее выражен в случае фазы геля, поскольку плотность полярных групп (т. е. плотность зарядов) в этой фазе выше, чем в жидкокристаллическом состоянии. Поэтому при повышении ионной силы наблюдается увеличение АН0 и, следовательно, возрастает Тт. Таким образом, можно индуцировать фазовый переход в изотермических условиях, изменяя ионную силу или другие параметры, которые влияют на взаимодействия полярных групп [194].

Структура и свойства мембранных липидов 89

Таблица 2.1. Термодинамические параметры температурного фазового перехода в насыщенных диацилфосфатидилхолинах (по данным ДСК)''

Липид Тт, АН,, АН2, AS2,

"С °С ккал/моль ккал/моль кал/Кмоль

ДМФХ (С,4) 15,3 24,0 1,3 6,5 21,9

ДПФХ (С16) 35,5 41,5 1,6 8,7 27,7

ДСФХ (С„) 51,0 54,3 1,8 10,4 33,3

ДАФХ (С2о) 62,1 64,1 1,7 12,3 37,6

Из работы [112]. Сокращения: ДМФХ -

страница 11
< 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
(24.08.2017)