Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

димиристоилфосфатидилхолии, ДПФХ - ди-пальмнтонлфосфатидилхолин, ДСФХ - дистеароилфосфатидилхолин, ДАФХ - днарахидоил-¦ОСфаткдклхолин. Индексы I н 2 относятся к предпереходу и основному переходу соответственно.

В табл. 2.1 и на рис. 2.20 приведены данные, полученные для однокомпонентных фосфолипидных систем, на основании которых можно высказать некоторые качественные соображения.

Фосфатидилэтаноламин

О L//—'-1-1-1-1-1- I_I_I_1_|_

с12 14 16 16 20 22 2 6 10 14

Длина, цепи насыщенны! диацилфосфолипидов Положение двойной связи

в ^-углеродной цепи

Рис. 2.20. Зависимость температуры фазового перехода от длины цепи в насыщенных диацилфосфолипидах и от положения цис-двойной связи в мононенасыщенных 1,2-Д"(«ис-октадеценоил)фосфатидилхолинах [112, 73, 698]. При рН 12 фосфатидная кислота имеет такую же температуру перехода, как и фосфатидилхолин и фосфатидилгли->»ерол с такой же длиной цепи.

90 Глава 2

1. Температура фазового перехода сильно зависит от особенностей жирнокислотных цепей, поскольку относительная стабильность гелевой и жидкокристаллической фаз определяется силой ван-дерваальсовых взаимодействий:

а) чем длиннее цепи, тем выше Тт, поскольку сила вандервааль-совых взаимодействий увеличивается с удлинением цепей;

б) наличие транс-двойных связей снижает 7"т, поскольку они нарушают оптимальные взаимодействия цепей в гелевом состоянии;

в) г/ис-двойные связи оказывают еще больший эффект, зависящий от положения двойной связи в цепи; максимальный эффект наблюдается, когда г/ис-двойная связь находится в середине цепи. Прокариоты отличаются большим структурным разнообразием углеводородных цепей, которые содержат такие заместители, как циклопропановые и метильные группы. Это приводит к дестабилизации гелевого состояния и снижению Тт [1262] (см. гл. 1);

г) фтор, которым часто заменяют водород в фосфолипидах с целью введения ЯМР-метки, оказывает на Тт такое же влияние, как и г/ис-двойная связь.

2. У липидов с большой площадью поверхности, занимаемой полярной головкой (например, у фосфатидилхолина), наблюдается предпереход между двумя гелевыми состояниями (Ц. и Р^,) [855]. Эти состояния и изгибание цепей у таких липидов были рассмотрены в разд. 2.2.

3. Температура плавления насыщенных фосфатидилэтанолами-нов примерно на 20° выше, чем соответствующих фосфатидилхолинов, вероятно, благодаря стабилизации гелевого состояния фосфатидкл этаноламина с помощью водородных связей [115].

4. Введение j/ис-двойной связи в жирнокислотные цепи в значительной мере уменьшает различия в Тт между фосфатидилэтано-ламином и фосфатидилхолином.

5. Фосфолипиды с различными полярными головками (в частности, кардиолипин) претерпевают такие же фазовые превращения, как и гликолипиды.

6. Заряженные липиды очень чувствительны к ионной силе, рН (если липид имеет рК в исследуемом диапазоне рН) и присутствию двухвалентных катионов [194]. Связывание ионов с фосфолипидами обсуждается в гл. 7.

7. Фазовые переходы в фосфолипидах зависят также от давления. При повышении давления фаза геля стабилизуется и, например, для фосфатидилхолина Тт повышается на 22 °С/кбар [215]. Стабилизация гелевой фазы при повышении давления происходит потому, что она является более плотной, чем жидкокристаллическая.

Структура и свойства мембранных липидов 91

8. При Тт гелевая и жидкокристаллическая фазы сосуществуют. Экспериментально это проявляется в повышении проницаемости везикул в момент фазового перехода. Диаметр образующихся при этом флуктуирующих «пор» в многослойных липосомах достигает 18 А [1489]. Поры можно представить как дефекты упаковки на гра-иице между гелевыми и жидкокристаллическими доменами бислоя. Роль таких «дефектов» в слиянии мембран обсуждается в гл. 9.

9. Для малых везикул, как правило, характерен широкий тер-мотропный переход; по-видимому, это связано с ограничениями, налагаемыми на упаковку липидов в бислое, находящемся в фазе геля, с малым радиусом кривизны.

В заключение следует отметить, что есть много теоретических подходов к анализу фазовых переходов в липидных бислоях [1048, 1163, 1008]. Наиболее популярные модели исходят из предположения о том, что состояние сегментов цепи может быть описано с помощью соотношения транс- и гош-ротамеров (g + или g ~ ). Принимая во внимание, что при сближении фрагментов цепей происходит их взаимное отталкивание как несжимаемых сфер, а при удалении — притяжение, «плавление» фосфолипидного бислоя можно адекватно представить как увеличение доли гош-конформеров. Подобный подход может быть распространен с определенными оговорками и на описание поведения бинарных липидных смесей [1008]-

2.4.2. ЛИПИДНЫЕ СМЕСИ

Следующей по уровню сложности вслед за индивидуальными Липидами является бинарная смесь липидов. Термодинамические и Структурные свойства таких смесей ближе к свойствам биологиче-|1бких мембран, и их изучение позволяет получить информацию о вмешиваемости липидов разного типа. Особый интерес представляет вопрос, могут ли липидные смеси, характерные для биологических мембран, спонтанно образовывать домены разного состава, обладающие разными физическими и химическими свойствами. Эта Идея о латеральном разделении фаз в биологических мембранах 1(см. разд. 4.5.4), еще не нашедшая убедительного экспериментального подтверждения, вытекает из результатов физико-химических Исследований индивидуальных липидов и их смесей, где такое фазовое разделение было наглядно продемонстрировано (см., например, Р83]).

Как и при рассмотрении фазового перехода индивидуальных липидов, бинарные липидные смеси можно исследовать в рамках обычной теории растворов [829, 830]. Такой подход оказался наибо-

92 Глава 2

лее успешным применительно к смесям разнородных фосфолипидов.

Смеси фосфолипидов

Термодинамические исследования четко показали, что разнородные фосфолипиды не образуют идеальных смесей. Стерические ограничения, возникающие в фазе геля, могут затруднить смешивание двух липидов и привести к их кластеризации или латеральному фазовому разделению. Даже в жидкокристаллической фазе два липида, смешиваясь друг с другом, часто дают неидеальную смесь. Это означает, что взаимодействия между однотипными липидами отличаются от такового для разнородных липидов, и в результате происходит отбор ближайшего окружения липидных молекул.

Неидеальность липидных смесей выявляется при сравнении экспериментальной фазовой диаграммы с теоретической диаграммой,

А ДМФХ-ДПФХ ь ДЭФХ-ДПФЭ

I_i 01—1—|—1—1—|—'—1—1—*—>—

0--tШ 0 50 100

мольные % (ДПФХ) мольные % (ДПФЗ)

Рис. 2.21. Типичные фазовые диаграммы для двухкомпонентных фосфолипидных смесей [644]. Обозначения L, Li и Lj относятся к жидкокристаллическим фазам. S — это твердая или гелевая фаза. На диаграмме А липиды мало различаются по длине цепи и полностью смешиваются как в гелевой, так и в жидкокристаллической фазах. На диаграмме Б липиды значительно различаются по длине цепи и не смешиваются как в гелевой, так и в жидкокристаллической фазах. Обозначения: ДМФХ — димиристоил-фосфатидилхолин, ДПФХ — дипальмнтоилфосфатидилхолин, ДЭФХ — диэладоил-фосфатидилхолин (18:1, транс-9), ДПФЭ — дипальмитоилфосфатидилэтаноламин.

Структура и свойства мембранных липидов 93

получаемой в рамках обычной теории растворов. Для построения экспериментальной фазовой диаграммы часто используют метод ДСК, следя за переходом липида из фазы геля в жидкокристаллическую фазу. Однако можно использовать любой другой метод, который позволяет определить долю липидов в каждой фазе. Для смесей липидов характерен гораздо более широкий температурный переход, чем для однокомпонентных систем. При построении фазовой диаграммы (рис. 2.21, А) регистрируют температуру, при которой начинается и заканчивается плавление смесей различного состава. В области между линиями, соединяющими температуры начала и окончания плавления, липид находится в частично расплавленном состоянии; здесь сосуществуют жидкокристаллические (жидкие) и гелевые (твердые) домены. Форма этих граничных линий зависит от термодинамических параметров, характеризующих плавление отдельных компонентов смеси, и от степени смешивания этих двух компонентов. В идеальном случае энтальпия и энтропия смешивания двух липидов равны нулю. Уравнения, описывающие неидеальные системы, сравнительно легко вывести ([829, 830]), предположив, что свободная энергия смешивания отличается от таковой для идеальных систем, и сравнив теоретические и экспериментальные фазовые диаграммы. Для смеси димиристоил- и дипальмито-илфосфатидилхолина экспериментальные данные достаточно хорошо соответствуют кривой, полученной исходя из предположения о неидеальном смешивании (АН°ыешив ^ 0) этих двух липидов в гелевой фазе при условии их идеального смешивания в жидкокристаллической фазе. Эти липиды различаются только на две метиленовые Группы. Смеси менее сходных липидов еще дальше от идеальных. Например, смеси дилауроил- и дистеароилфосфатидилхолинов (Си и C\s), по-видимому, отличаются от идеальных как в гелевой, так и в кристаллической фазах. Димиристоил- и дистеароилфосфати-Дилхолины (Си и Cie) почти не смешиваются в гелевой фазе [1587], В димиристоил- и диэлаидоилфосфатидилхолины (Си и Сттранс) в этой фазе не смешиваются вообще.

Поведение смесей, содержащих в качестве одного из компонентов отрицательно заряженный липид, очень сильно зависит от присутствия двухвалентных катионов, например Са2 +. Эти катионы образуют межмолекулярные мостики, что приводит к кластеризации и латеральному разделению отрицательно заряженных липидов. Такое разделение можно зарегистрировать методом ДСК по Появлению четких переходов, связанных с плавлением отдельных липидных компонентов (см., например, [1458]). Явление кластеризации можно прямо наблюдать и с помощью флуоресцентной микроскопии [607].

В заключение можно сказать, что смеси фосфолипидов, как и следовало ожидать, являются неидеальными системами как в геле-

94 Глава 2

вой так и в жидкокристаллической фазах. Какое значение имеют исследования модельных липидных смесей для изучения распределения липидов в природных мембранах, пока неясно.

Фосфолипиды и холестерол

Взаимодействия между холестеролом и фосфолипидами явились предметом активных исследований. В большинстве работ в качестве фосфолипида использовался фосфатидилхолин, но изучались и другие липиды — фосфатидилэтаноламин и сфингомиелин [398]. В том, что касается феноменологического описания смесей холестерол—фосфолипид, результаты проведенных исследований согласуются между собой, однако интерпретация полученных данных в рамках той или иной структурной модели различается. По данным рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов молекулы холестерола располагаются в бислое перпендикулярно его поверхности, причем ОН-группа находится вблизи сложноэфирных карбонильных групп фосфолипида [1606] (рис. 2.22). Однако спектроскопия КР не подтверждает образования водородных связей между этими группировками [171]. По данным 2Н-ЯМР присутствие холестерола сильно влияет на профиль параметра упорядоченности вдоль липидной

-х-^ о ts 30

Рис 2 22 Профиль электронной плотности гидратироваиного бислоя из яичного фос-Г^' „Холестерола полученный по данным дифракции рентгеновских лу-

с этими данными м°™ная молель-

Структура и свойства мембранных липидов 95

углеводородной цепи [1092] и на его изменение при фазовом переходе фосфолипидов [890]. Данные фурье-ИК-спектроскопии (см. [250]) показывают, что выше Тт в присутствии холестерола доля гош-ро-тамеров в углеводородных цепях фосфолипидных молекул уменьшается, а ниже Тт наблюдается обратный эффект. Упорядочивание связано с ограничениями при упаковке углеводородных цепей вблизи жесткого стерольного ядра. В жидкокристаллическом состоянии холестерол ограничивает конформационную подвижность фосфолипидных цепей, а в состоянии геля он затрудняет оптимальную упаковку цепей в полностью-транс-конфигурации. В результате смеси фосфолипид—холестерол занимают по упорядоченности промежуточное положение между гелевым и жидкокристаллическим состояниями чистого фосфолипида. По сути холестерол играет роль своеобразного «наполнителя», снижая силы притяжения между углеводородными цепями липидов. В то же время на полярные головки фосфолипидных молекул он оказывает слабое влияние.

Самый главный вопрос, касающийся биологических мембран, состоит в том, как распределен в них холестерол — хаотично или в виде кластеров. Изучение модельных систем не дало четкого ответа на этот вопрос, однако оно показало, что смеси фосфолипид— холестерол ведут себя не идеально, как этого следовало ожидать при хаотичном распределении компонентов. Результаты исследования смесей холестерола с дипальмитоилфосфатидилхолином методом ДСК свидетельствуют о наличии двух отдельных фаз, когда содержание холестерола не превышает 20 мол.%, и одной фазы при содержании холестерола в интервале между 20 и 50% [890]. При концентрации холестерола выше 50% фазовый переход вообще не наблюдается, поскольку холестерол полностью устраняет кооперативные взаимодействия между липидными углеводородными цепями. По данным других физических методов в смесях с содержанием холестерола около 20, 33 и 50% имеется несколько фазовых границ [839]. Структурная организация каждой фазы неизвестна. Если судить по результатам электронно-микроскопических исследований образцов, полученных методом замораживания—скалывания [242], то можно предположить, что в диапазоне концентраций холестерола 0—20% в смеси с дипальмитоилфосфатидилхолином происходит чередование полос чистого фосфолипида и смеси, содержащий 20% холестерола, т. е. образуется рифленая структура. Возможно, на самом деле существуют стабильные молекулярные комплексы фосфолипид—холестерол, но четкие доказательства этого отсутствуют. По некоторым данным холестерол проявляет определенное сродство к отдельным фосфолипидам [1557]. Как показывают результаты опытов по рассеянию нейтронов [765], выше точки фазового перехода (35 °С) холестерол и димиристоилфосфатидилхолин полностью смешиваются друг с другом, а ниже границы фазового

96 Глава 2

перехода смеси (7 °С) они образуют несколько отдельных фаз. Теоретические модели, не учитывающие специфических межмолекулярных взаимодействий [1163], помогли лишь частично понять механизм влияния холестерола на параметры липидных фазовых переходов (Тт и АН0).

Подводя итоги, можно сказать, что смеси холестерол—липиды — это сложные и полиморфные системы, в которых при определенных условиях существует латеральное разделение фаз. В какой мере все сказанное можно отнести к холестеролу в биологических мембранах, пока неясно (см. разд. 10.4).

Другие смеси

В работе [829] исследовалось влияние на термотропные свойства мембранных липидов многочисленных гидрофобных соединений. К таким соединениям относятся различные лекарственные препараты, анестетики, углеводороды, спирты и жирные кислоты, а также природные мембранные компоненты, такие, как каротиноиды и по-лиизопреноиды (долихол, бактопренол, убихинон). Вещества, плохо смешивающиеся с фосфолипидами, оказывают меньшее влияние на их фазовый переход в бисл

страница 12
< 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
(26.09.2017)