Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

раньше, чем началось экспериментальное изучение других мембранных моделей. Значительный вклад в исследования монослоев внесли Б. Франклин, лорд Релей (Дж. В. Стратт) и И. Лэнг-мюр Как модельная система липидные монослои и сегодня не утратили своего значения, позволяя оценивать поверхностную активность отдельных мембранных компонентов и изучать взаимодействие между ними в ориентированных мономолекулярных структурах, хорошо имитирующих поверхность раздела мембрана—вода.

Поведение липидных молекул в монослое существенно зависит от их строения. Насыщенные жирные кислоты, их метиловые эфиры и триацилглицерины (например, пальмитиновая кислота, метилпальмитат и трипальмитоилглицерин) образуют конденсированные монослои при поверхностном давлении 10 'Н м Конденсированная пленка ведет себя при этом как несжимаемое твердое тело. Площадь, приходящаяся на одну молекулу в монослое, дли гомологичного ряда кис ют не зависит от длины углеводородной цепи и при максимально плотной упаковке монослоя, отвечающей давлению коллапса, составляет 0.19 0,2 нм*. Введение одной двойной связи в жнрнокислотную цепь существенно увеличивает площадь, приходящуюся на молекулу. Так, например, для олеиновой кислоты предельная площадь возрастает до 0,26—0.27 нм . Однако введение дополнительных двойных связей уже мало влияет на площадь, приходящуюся на одну молекулу жирной кислоты. Монослои, образуемые ненасыщенными жирными кислотами, проявляют свойства менее упорядоченных жидко растянутых пленок.

Жидкорастянутые монослои образуют также моноацилглицерины вследствие присутствия двух свободных гидроксильных групп в молекуле. Предельная площадь для моноацилглицеринов составляет около 0,25 нм' на молекулу. Днацилглицерины дают более конденсированные монослои. Площадь, приходящаяся на молекулу, растет пропорционально числу имеющихся жирнокислотных остатков. Так, в случае насыщенных триацилглицеринов предельная площадь составляет около 0,6 им5 на молекулу.

Рис. 282. Схема прибора, позволяющего определять поверхностное давление, поверхностный потенциал и поверхностную

радиоактивность монослоя.

554

Биологические мембраны

Мицелла классического типа

Распад I Ассоциация

Полярная головка

г Л

т

Углеводородный хвост Липид

( I

Распад 1 Ассоциацир

i

Неполярныи растворитель + следы водь.

Обращенная мицелла

Рис. 283. Липидные мицеллы в воде и неполярных растворителях.

Характер упаковки фосфолнпидных молекул в монослое зависит как от строения ин углеводородных цепей, так и от природы гидрофильных полярных головок. Фосфолипиды с остатками насыщенных кислот дают конденсированные монослои при поверхностном давлении 10 'Н/см. Как и и случае свободных жирных кислот, площадь, приходящаяся на фосфолипидную молекулу, значительно возрастает при введении одной двойной связи ¦ жнрнокислотную цепь. Дальнейшее увеличение степени не насыщенности в той же жирнокислотной цепи слабо сказывается на величине птощадн, занимаемой молекулой- Однако если вторая двойная связь вводится в другую ацильную цепь, то площадь заметно возрастает. Так, в ряду днпальмит ил фосфатидилхолин, яичный фосфатидилхолин и диолеоилфосфатидилхолин предельная площадь на молекулу составляет 0.44, 0,62 и 0.72 нм соответственно.

Фосфатидилэта нала мин образует более конденсированные монослои по сравнению с фосфатндилхолином. Средняя площадь на молекулу фосфатидилэтаноламинов, содержащих ненасыщенные жирные кислоты, существенно меньше, чем для соответствующих фосфатидилхолинов. Возрастание рН или концентрации электролитов в водной фазе приводит к расширению мокослоя фосфатидилэтанолами на. В еще большей степени влияние рН и неорганических солеи сказывается на свойствах м н доев, образуемых кислыми фосфолипидами такими как фосфатидн.чеерин фосфатидилиноэит. днфогфатиднлглицерин, фосфатидовая кислота и др. В общем виде ионизация потярных групп липидов при увеличении рН приводит к бо разреженному монослою вследствие электростатического отталкивания отрицательно заряженных группировок. Присутствие катионов в водной фазе оказывает обратное действие за счет экранирования заряда фосфатных групп. Многовалентные катионы, особенно Са-' 1. оказывают сильное влияние на монослои отрицательно заряженных фосфолипидов, приводя к значительному уменьшению средней площади, приходящейся на молекулу.

Значительное влияние на свойства липидного монослоя могут оказывать также макромолекулы, присутствующие в водной фазе. Взаимодействие этих веществ, в частности белков, с липидным монослоем сопровождается нх адсорбцией на поверхности монослоя н проникновением в монослой. По изменениям поверхностного давления и потенциала, а также площади, приходящейся на молекулу, могут быть изучены факторы, влияющие на белково-лнпндные взаимодействия в монослое.

Мицеллы

Мицеллы представляют собой простейшие агрегаты, образуемые лнпнднымн молекулами в объемной фазе растворителя. В зависимости от природы растворителя липиды могут дааать либо мицеллы обычного типа, либо так называемые «обращенные» мицеллы (рнс. 283).

В обычных мнцеллвх гидрофильные полярные головки липидных молекул обращены в сторону водной фазы, тогда как неполярные углеводородные цепи образуют гидрофобное ядро, изолированное от водного окружения. В обращенных мицеллах, существующих а таких растворителях, как бензол, гексан н др., молекулы лнпндов имеют иную ориентацию: нх гидрофобные цепн направлены в растворитель, а полярные головки формируют центральную гидрофильную область мнцеллы. Образование обращенных мнцелл значительно облегчается прн добавлении следовых количеств воды в неполярный растворитель.

Склонность липндов к формированию ассоциатов мицеллярного типа зааиснт от нх строения и, прежде всего, от соотношения размеров полярной и неполярной частей молекулы. В воде легко дают мицеллы те лнпнды, которые имеют объемистую н/нли заря-

женную полярную головку и сравнительно небольшие углеводородные цепи (рис. 284).

К мнцеллообразующнм липидам относятся солн высших жирных кислот и лнзоформы фосфолипидов, у которых на молекулу приходится всего лишь одна углеводородная цепь, а также фосфолипиды, имеющие две углеводородные цепи, но небольшой длины, такие, как дигексанонл- и дноктаноилфосфатнднлхолнны. Наличие в молекуле непомерно большой полярной головки, как, например, в ганглнозндах, даже прн нормальной длине углеводородных цепей способствует мицеллообразованню в воде.

Для вышеперечисленных веществ характерны довольно высокие по сравнению с другими липидамн значения критической концентрации мнцеллообразования порядка 10 — 10 М. Образуемые имн мицеллы обладают диаметром от 3 до 6 нм, имеют сгрернческую нлн эллипсоидальную форму и содержат от нескольких десятков до сотен липидных молекул на мнцеллу. С ростом концентрации лнпида происходит укрупнение мицелл и превращение нх в длинные стержнеобразные частицы, содержащие более 1000 молекул на ми целлу (рис. 285).

Иные соотношения размеров полярных групп и углеводородных цепей типичны для липидов, способных образовывать обращенные мнцеллы в неполярных растворителях. Формированию таких мнцелл

555

Основные принципы построения мембранных липидных структур

Рис. 284. Упаковка молекул в мицелле

СОЛИ ЖИрН И КИСЛОТЫ

благоприятствуют малый объем полярных головок, нейтрализация нх заряда, а также наличие в молекуле массивных углеводородных цепей. Так, например, яичный фосфатилнлхолнн легко образует в бензоле обращенные мнцеллы, тогда как в водной среде его молекулы не в состоянии упаковаться а компактные мнцеллярные агрегаты. Тем не менее даже такие лнпнды могут быть переведены в мнцелляр-ное состояние а водной среде, если онн находятся в смеси с другими поверхностно-активными веществами. В частности, образование смешанных липидных мицелл легко происходит в присутствии детергентов.

Обычно смешанные детергент-липидные мнцеллы имеют такую структуру, как показано на рисунке 285. Однако особый интерес представляет молекулярная организация мицелл, образуемых смесями солей желчных кислот с фосфолипидами. Эти мнцеллы имеют форму диска, в центральной* части которого находятся фосфолнпнд-ные молекулы, а по периферии расположены молекулы желчной кислоты (рис. 286). Толщина диска (4—5 нм) в точности соответствует удвоенной длине фосфолипндной молекулы, а его диаметр

Сфериче ни мицеллы

Эллипсоидальные мицеллы

Рис. 285. Различные типы мицелл, образуемых липидами в воде.

Цилиндри есние мицеллы

зависит от соотношения детергент—лнпид, возрастая по мере увеличения содержания фосфолнпнда.

Дискообразные мнцеллы фосфолипидов в водной среде могут стабилизироваться не только с помощью детергентов, но и за счет адсорбции по периметру диска амфнфнльных белков и пептидов (рнс. 286). Одним нз эффективных стабилизаторов такого типа являются аполнпопротенны — бел кн. входящие в состав лнпопро-теинов плазмы кровн (см. с. 558). В полипептидиой цепи этих белкоа имеются особые участки (содержащие от 10 до 18 аминокислотных остатков), способные сворачиваться в а-спираль. Отличительная черта образуемой структуры состоит в том, что большинство гидрофобных остатков расположено на одной стороне спирали,

тогда как заряженные и сильно полярные аминокислотные остатки находятся на ее противоположной стороне (рис. 287). Таким образом, в смешанных белково-липидных мицеллах гидрофобные области а спиральных участкоа полнпептндной цепи должны находиться в контакте с углеводородными цепями фосфолипидов, а гидрофильные области спиралей будут обращены в водную среду.

Важным свойством лнпндных мицелл является их способность солюбнлизировать, т. е. растворять в себе, те вещества, которые в отсутствие мнцелл в среде нерастворимы. Так, обращенные мицеллы могут включать значительное количество воды во внутренний объем, ограниченный полярными головками липидных молекул. Вместе с водой внутрь обращенных мнцелл захватываются растворенные в ней неорганические соли свободные сахара и даже молекулы биополимеров (рис. 288). Например, а обращенные мицеллы фосфолипидов в углеводородных растворителях легко включаются такие белкн, как цитохром с, фосфолипаза А», родопсин и реакционные центры Rhodopseudomonas sphaeroides, которые в этих условиях сохраняют свою пространственную структуру и функциональную

557

Основные принципы построения мембранных пипидных структур

791^

558

Биологические мембраны

активность. Фактически прн большом содержании воды обращенные мнцеллы можно рассматривать как капельки мнкроэмульсин типа «вода в масле», стабилизированной лнпидным монослоем на границе раздела вода—неполярный растворитель.

Иной тип мнкроэмульсин, а именно «масло в воде», образуется при солюбнлнзацин в нормальных лнпндных мицеллах неполярных и малополярных веществ, плохо растворимых в воде. В этом случае монослой лнпндных молекул формируется на поверхности мнкро-капелек солюбилизнруемого вещества, стабилизирует их и поддерживает во взвешенном состоянии (рнс. 288). Таким путем в вод-нон среде удается легко эмульгировать неполярные органические растворители, а также жиры и масла. Размер частиц микроэмульсий варьирует в широких пределах, от 5 до 100 нм н больше. Например, средний диаметр частиц мнкроэмульсин, приготовленной обработкой ультразвуком из смесей фосфатндилхолнна н трнолеонлглнце-рина в соотношении 1:1, составляет —27 нм, а прн соотношении 1:10 Он возрастает до —230 нм.

Рис. 288. Способы солюбилиэации различных веществ в липидных мицеллах: (а) — микроэмульсия типа «вода в масле»; (б) — микроэмульсия типа «масло в воде».

Классическим примером липидных эмульсий природного происхождения являются липопротеины плазмы крови, основная функция которых состоит в транспорте фосфолипидов, триацилглицеринов, холестерина и его эфиров в организме теплокровных животных В плазме ннилены четыре основных кла а липойротеинов. В порядке возрастания удельной плотности они располагаются в следующий ряд: хиломнкроны, липопротеины очень низкой плотности (лОНП), липопротеины низкой плотности (ЛНП) и липопротеины высокой плотности (ЛВП). Содержание-различных классов лилопротеинов у человека зависит от возраста, пола, условий жизни и т. д. и изменяется при некоторых патологических состояниях организма (инфаркт миокарда, атеросклероз и другие сосудистые заболевания). Морфологически липопротеины представляют собой сферические ча тнцы мицеллоподобно!о типа (рис. 289). Несмотря на различия в относительном содержании основных компонентов, входящих в состав липопротеинов, все они устроены по одинаковому принципу (рис. 200): внутреннее ядро липопротеиновых частиц состоит нз неполярных нейтральных липидов (триацилглицеринов и эфиров холестерина), а на поверхности находится монослой, образуемый фосфолипидами, холестерином и амфифнль-ными апопротеинамн.

Следует отметить, что мицеллообразование играет также очень важную роль в процессах пищеварения. Благодаря присутствию солей желчных кислот, поступающих из желчного пузыря в двенадцатиперстную кишку, нерастворимые в воде пищевые жиры превращаются в тонкодисперсную эмульсию, что делает нх доступными для расщепления лнполнтнческими ферментами и облегчает всасывание продуктов гидролиза в тонком кишечнике.

559

Основные принципы построения мембранных липидных структур

Рис. 289. Модель частицы липопротеина плат мы крови.

Рис. 290. Примерный состав (в %) и размеры липопротеииов плазмы крови человека. Толщина поверхностного монослоя (2,1 нм) дана в том же масштабе, что и диаметр ядра.

Диаметр ча тиц 200нм

Оболочка:

ФХ 15 X 3 Апо-В )7 Апо-С J

=22 нм

Л»

?/Ядро

Оболочка:

ФХ 21 X 6 Апо В 20

Ядро ТГ 2 ЭХ 20

ОболоЧКс]

ФХ 25

х_ э

Апо-А Апо-С

50

ФХ-фосфатндилколин, Х- колестерин,

ТГ-гриацилглицерин, ЭХ-эфиры холестерина

А А Апо В и Ап С аполипопро ины А В и С

560 Необходимо упомянуть также еще об одной области, где практн--¦- ческое знание закономерностей образоаання и поведения мицелляр-

Биологические мембраны ных структур имеет прямое отношение к исследованиям биоло-

гических мембран. Речь идет о проблемах разборки мембран на составные компоненты с выделением из них отдельных мембранных белков и последующей реконструкции функционально активных комплексов в модельных системах. В настоящее время наиболее предпочтительным подходом к решению этих проблем является использование детергентов. Прн действии детергентов на выделенные препараты клеточных мембран происходит солюбилизация белков и лнпидов с образованием смешанных мицелл (рис. 291).

С помощью разнообразных методов фракционирования мембранные белки в солюбнлнзнроаанной форме могут быть разделены и очищены до индивидуального состояния. Последующее удаление детергента в присутствии подходящих фосфолипидов позволяет реконструировать в искусственной мембране ту или иную функцию изучаемого белка. В таблице 23 приведены структурные формулы н названия детергентов, наиболее часто используемых для солюби лнзацин и реконструкции мембран.

В настоящее аремя выявился еще одни аспект перспективного применения мнцеллярных систем в мембранных исследованиях: с помощью детергентоа оказалось возможным достато

страница 73
< 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 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(24.06.2017)