Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

53

цепи, максимально вытянуты, т. е. имеют полностью-трянс-конфигурацию.

Кристаллические структуры фосфатидилхолина и цереброзида во многом сходны со структурой фосфаридилэтаноламина, хотя и

Рис. 2.3. Схематическое представление зависимости упаковки липидных молекул от соотношения между поперечным сечением полярной головки и ацильных цепей (S и Е; см. рис. 2.2) [604]. Эти рисунки иллюстрируют поведение фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина. А. Кристалл фосфатидилэтаноламина; стерические ограничения, налагаемые на размещение полярных головок и двух ацильных цепей, одинаковы. Б. Фосфатидилэтаноламин в ламелляриой жидкокристаллической фазе; увеличение площади, приходящейся иа молекулу, приводит к нарушению упорядоченности в расположении полярных головок. Стабилизация структуры происходит только в том случае, если вода или другие полярные молекулы заполняют пустоты между соседними липидными молекулами. В. Гипотетическое расположение молекул фосфатидилхолина, показывающее, что площадь, занимаемая полярной головкой (50 А2), гораздо больше площади, необходимой для размещения ацильных цепей (38 А2). Это приводит к некоторой перегруппировке молекул. Г. Один из способов уплотнения фосфатидилхолино-вых молекул, наблюдаемых в кристаллах, состоит в смещении полярных головок, в результате которого оии перекрывают друг друга. Д. Более плотная упаковка, наблюдаемая в ламелляриой гелевой фазе фосфатидилхолина, осуществляется благодаря наклону цепей и увеличению их поперечного сечения до 50 А2. Е. Фосфатидилхолин в ламелляриой жидкокристаллической фазе; размеры полярных головок таковы, что нарушения их упаковки не происходит.

имеют ряд важных отличий. Наиболее значительное и явное из них состоит в наклоне ацильных цепей, сильно выраженном в случае цереброзида. Этот наклон связан с наличием стерических препятствий для упаковки молекул. Объемные полярные головки фосфатидилхолина и цереброзида не позволяют им упаковываться в сравнительно простые структуры, как в случае дилауроилфосфатидилэта-ноламина. Площадь S, необходимая для размещения этих головок, превышает величину 39 А2, приходящуюся на поперечное сечение ацильных цепей каждой молекулы (2Е; рис. 2.2). В случае цереброзида эта проблема решается за счет наклона ацильных цепей по отношению к плоскости бислоя. В результате существенно увеличивается площадь проекции поперечного сечения ацильных цепей на плоскость бислоя. На рис. 2.3 схематично показано, как благодаря наклону цепей сохраняется взаимодействие между цепями соседних молекул и обеспечивается размещение объемных полярных групп. Жирнокислотные цепи димиристоилфосфатидилхолина отклоняются от нормали к поверхности бислоя всего на 12°, тогда как в случае цереброзида это отклонение достигает 41° [1133]. Проблема упаковки объемных полярных групп диацилфосфатидилхолина может быть решена путем поочередного смещения соседних молекул вдоль нормали к бислою, как схематически показано на рис. 2.3, Л Имеются убедительные данные и о значительном наклоне цепей в гелевой фазе полностью гидратированных липидных бислоев (см., например, работы [604, 1220], а также разд. 2.2). Это наглядный пример того, как простые стерические соображения, учитывающие «форму» липидных молекул (сопоставление S и 2Е), оказываются весьма полезными при рассмотрении пространственной структуры липидов. Другие примеры будут описаны в разд. 2.3.4.

В "кристаллах всех изученных липидов, за исключением фосфа-тидной кислоты, начальный участок 5«-2-жирнокислотной цепи направлен параллельно поверхности бислоя. Об этой особенности расположения цепей свидетельствовали также результаты ЯМР-иссле-дований фосфатидилэтаноламиновых и фосфатидилхолиновых бислоев, а также фосфолипидов в мембранах Е. coli [487]. Физиологическая значимость этой структурной особенности неясна. Однако отмечалось, что в яичном фосфатидилхолине средняя длина sn-2-жирнокислотной цепи равна 18 углеродным атомам, а средняя длина 5«-1-цепи — 16. По-видимому, это позволяет скомпенсировать излом жирнокислотной цепи во втором положении остатка глице-рола так, что обе ацильные цепи оказываются погруженными в бислой на одну и ту же глубину.

Итак, можно отметить пять основных особенностей кристаллической структуры, которые важны при рассмотрении строения липидных бислоев.

1. Все изученные структуры имеют ламеллярную организацию

54 Глава 2

с таким же расположением полярных и неполярных групп, как и в бислое.

2. Некоторые липиды, например фосфатидилхолины и цереброзиды, имеют объемные полярные головки (S > 2L), из-за чего возникают затруднения при упаковке молекул. Соотношение между указанными молекулярными параметрами играет важную роль при упаковке мембранных липидов не только в кристаллах, но и в модельных мембранах, а также, вероятно, и в биологических мембранах.

3. Как правило, полярные головки липидных молекул расположены в плоскости бислоя, что способствует образованию межмолекулярных водородных связей.

4. Ацильные цепи (насыщенные) находятся в полностью-трянс-конфигурации.

5. В большинстве случаев ял-2-жирнокислотные цепи начинают углубляться в бислой только после атома С-2.

Эти структурные особенности характерны и для ламеллярных систем, образуемых водно-липидными смесями (см. следующий раздел) в фазе геля (пп. 1, 2, 3, 4, 5) и/или в жидкокристаллической фазе (пп. 1, 3, 5). Изучение пространственного строения липидов в кристаллах имеет важное значение при рассмотрении конформа-ционного состояния липидов в биологических мембранах.

2.2. Водно-липидные смеси

Смеси липидов с водой отличаются выраженным полиморфизмом. Даже индивидуальные очищенные липиды в гидратированном состоянии могут находиться в нескольких структурных модификациях. Какая из структур преобладает, зависит от таких параметров, как концентрация липида, температура, давление, ионная сила и рН. Особенно полезным при изучении типов структурной организации водно-липидных систем оказался метод дифракции рентгеновских лучей. При этом чаще всего варьируют концентрацию липида и температуру, а полученные данные представляют в виде фазовой диаграммы, показывающей, какую структуру система имеет в различных областях диаграммы «температура — концентрация». Наряду с дифракцией рентгеновских лучей для определения фазовых границ водно-липидных систем часто используют дифференциальную сканирующую калориметрию. Эти исследования проводят обычно при высоких концентрациях липида (>40%, в/в), однако многие структуры, обнаруженные при таких условиях, образуются также в липидных дисперсиях при большом избытке воды.

Основные типы структурной организации водно-липидных систем [1334, 263] схематично представлены на рис. 2.4.

Структура и свойства мембранных липидов 55

Рис. 2.4. Схематическое изображение различных фаз водно-липидных систем [34]. А. Ламеллярная гелевая фаза. Б. Ламелляриая жидкокристаллическая фаза. В. Гексагональная фаза типа II. Г. Гексагональная фаза типа I. Указаны различные параметры, которые можно измерить по данным дифракции рентгеновских лучей.

1. Ламеллярная жидкокристаллическая фаза (La), Считают, что именно в этой фазе находится основная масса липидов в биологических мембранах. Как свидетельствуют данные дифракции рентгеновских лучей, для этой фазы характерно упорядоченное расположение слоистых структур при значительной неупорядоченности ацильных цепей.

2. Ламеллярная гелевая фаза (Lp). Она образуется при низкой температуре теми липидами, которые формируют слоистые структуры. В этой фазе молекулы упакованы более плотно (на молекулу приходится меньшая площадь поверхности), а ацильные цепи намного более упорядочены и находятся преимущественно в полнос-тью-трянс-конфигурации, как и в липидных кристаллах. Поскольку цепи максимально вытянуты, толщина бислоя в фазе геля выше, чем в жидкокристаллической фазе. Плотность фазы геля несколько выше плотности жидкокристаллической фазы. В случае липидов, имеющих объемные полярные головки (например, дипальмитоил-фосфатидилхолин), ацильные цепи наклонены относительно поверхности бислоя [700, 461] подобно тому, как это наблюдается в некоторых липидных кристаллах (рис. 2.1). Наклон цепей обычно обозначают штрихом (L/з) Интересно, что дисперсии фосфатидилхолина в растворах, содержащих некоторые спирты [1346], в том числе и глицерол [1084], образуют необычную фазу геля, в которой противолежащие половины «бислоя» своими ациль-ными цепями полностью проникают друг в друга. Биологическая роль этого явления неясна.

3. Гексагональная фаза I (Hi). В этом случае липидные молеку-

56 Глава 2

лы формируют цилиндрические структуры, поверхность которых образована полярными головками и контактирует с водой. Сами цилиндры упаковываются с образованием гексагональной решетки.

4. Гексагональная фаза II (Ни). Липиды также образуют цилиндры, но в этом случае полярные группы обращены внутрь цилиндра и формируют водный канал. Упаковка самих цилиндров также является гексагональной.

Очень важно, что некоторые липиды образуют небислойные структуры. Действительно, многие очищенные мембранные липиды не образуют стабильных бислоев, а предпочитают находится в гек-

20

Ламеллярная

\Ламеллярная I + | Вода

I______1.------J

100 80 60

концентрация липида,%(

Рис. 2.5. Фазовые диаграммы для моногалактозилдиацилглицерола (МГДГ) (А) иi ди-галактозилдиацилглицерола (ДГДГ) (Б), экстрагированных из листьев [1334аЬ В обоих случаях ацильные цепи характеризуются высокой степенью „енасышенности.

Структура и свойства мембранных липидов 57

сагональной фазе Ни. В качестве примера можно упомянуть ненасыщенные фосфатидилэтаноламины, а также такой гликолипид, как моногалактозилдиацилглицерол (рис. 2.5). Причины такого поведения и его возможная биологическая значимость обсуждаются в следующих разделах.

Дополнение 2.1. Некоторые липиды, выделенные из биологических мембран, не образуют стабильных бислоев

На рис. 2.5 представлена фазовая диаграмма моногалактозилдиацилглицерола (МГДГ). Обратите внимание, что удаление одного сахарного остатка из полярной головки приводит к драматическим изменениям структуры водно-липидной системы: сам по себе липид не образует стабильного бислоя, а дает только гексагональную фазу Нц. На долю этого сильно ненасыщенного галактолипида приходится около 20% (по массе сухого вещества) тилакоидной мембраны хлоропластов и около 50% всех липидов в этой мембране [533]. Было высказано предположение (1041, 533], что МГДГ играет важную роль в стабилизации сильно искривленных участков мембраны тилакоидов, а возможно, выполняет и другие специфические функции.

Другим примером является фосфатидилэтаноламин, выделенный из бактерий Pseudomonas fluorescens. На долю этого липида приходится около 75% общего количества фосфолипидов бактериальных мембран [262]. Он отличается разнообразием жирных кислот по длине и степени ненасыщенности и образует стабильную гексагональную фазу Ни при избытке воды и комнатной температуре [1334, 262]. По-видимому, в клеточных мембранах бислойная организация этого фосфолипида стабилизируется благодаря присутствию других компонентов. Насыщенные фосфатидилэтаноламины также проявляют сложное фазовое поведение, но не образуют фазы Нц при физиологических температурах [1315]. Фазовые переходы, происходящие при изменении содержания воды постоянной температуры, называют лиотропными переходами.

1.2.1. ГИДРАТАЦИЯ ЛИПИДОВ

Параметры, указанные на рис. 2.4, можно определить по данным дифракции рентгеновских лучей [1320, 910]. Как правило, те

58 Глава 2

параметры, которые зависят главным образом от длины ацильных цепей, почти не меняются при увеличении содержания воды в системе. Гидратация липидов происходит в результате связывания воды с полярными головками. Процесс гидратации активно изучали методами 'Н- и 2Н-ЯМР. Результаты, полученные при изучении фос-фатидилглицерола, фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина методом 2Н-ЯМР, говорят о наличии гидратной оболочки из 11 — 16 молекул воды на одну молекулу липида. Эти молекулы быстро обмениваются с молекулами воды, находящимися в основном объеме [123]. Согласно другим измерениям, полярная головка фосфатидилэтаноламина связывает меньше воды, чем полярная головка фосфатидилхолина. Было высказано предположение, что в случае ненасыщенных фосфатидилэтаноламинов слабая гидратация благоприятствует образованию неламеллярной гексагональной фазы Ни [1616].

Многие липиды набухают в воде. Липиды, которые не несут заряда или являются в целом электрически нейтральными (например, фосфатидилхолин), не набухают совсем или набухают лишь в ограниченной степени до предельной толщины водной прослойки между ламеллами [195, 600]. При избытке воды сосуществуют две фазы — мультиламеллярная липидная фаза и вода, находящаяся в основном объеме. Заряженные липиды склонны к неограниченному набуханию и могут включать воду между ламеллами вплоть до пороговой точки, когда образуются две фазы — полностью гидратированные моноламелярные везикулы, находящиеся в равновесии с водой в основном объеме [600]. Степень набухания и относительная стабильность мульти- и моноламеллярных структур определяются электростатическими взаимодействиями. При низкой ионной силе происходит дестабилизация мультиламеллярных структур. Неограниченное набухание может происходить и в том случае, когда в смеси липидов содержится всего несколько процентов заряженных липидов.

Поляризация молекул воды вблизи полярных липидных головок приводит к сильному отталкиванию при сближении двух бислоев [1193, 195]. Эта «гидратационная сила» удерживает гидратированные бислой на расстоянии не менее 30 А друг от друга. Именно она создает основной энергетический барьер, который следует преодолеть, пытаясь осуществить слияние мембран (см. гл. 9). Возможно, фосфатидилэтаноламиновые везикулы склонны к агрегации именно потому, что степень гидратации их полярных головок относительно низка (см. разд. 9.5.1).

Исследования, проведенные методом ЭПР с помощью спиновых меток, способных реагировать на полярность своего окружения на различной глубине от поверхности бислоя, показывают, что вода частично проникает в углеводородную область бислоя, находящую-

Структура и свойства мембранных липидов 59

ся в жидкокристаллическом состоянии [551]. По данным нейтронного рассеяния, когда бислой находится в состоянии геля, вода не проникает глубже глицеролового остова липидных молекул [1606].

2.2.2. ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ВОДНО-ЛИПИДНЫХ СИСТЕМ

На рис. 2.5 представлена фазовая диаграмма в координатах температура—концентрация для двух распространенных гликолипидов, выделенных из растений [1334, 1041, 533]. Дигалактозилдиацилгли-церол (ДГДГ) образует стабильную ламеллярную фазу. При низком содержании воды имеется только гидратированная фаза, а при содержании воды 20% сосуществуют две фазы — мультиламеллярная гидратированная липидная фаза и вода основного объема. К неограниченному набуханию ДГДГ не способен.

Дисперсия липосом

20

30 40

-^-//->— 50 99,9

Рис. 2.6. Фазовая диаграмма для днпальмитоилфосфатиднлхолнна в воде [1269]. Содержание воды указано иа оси абсцисс; в левой

страница 7
< 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
(22.07.2017)