Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

чно хорошо моделировать липидное окружение мембранных пептидов и белков. Поскольку мнцеллы занимают промежуточное положение между растворами и истинно мембранными системами, то это значительно расширяет возможности получения тонкой структурной информации о таких белках с помощью современных спектральных методов.

Таблица 23

Детергенты, наиболее часто используемые для со любили за цин и реконструкции мембран

Структурная формула Название

нас f но—т^хн н Холат натрия (За, 7а, 12а-трнгид-рокси 5/3 холанат натрия)

н3с fj|[ СНэ 0 ЧАПС (3 -[(3-холамидопропил) -днметиламмонно ] -пропансулъфонат)

сн3 нэс JT 0 I I 0H Glu-Glu-Gal-Gel-Xyl—Cr^J^^ Дигитонин

CH20H ---Ql OH Октнлглюкозид (октнл-0-D-глюкопиранозид)

ch, ch, '^s-^N&~^-lO-CH2-CH2)1K10— OH Тритон X ЮО п-(трег-октил)-феннловый эфир полиэтнленглнколя

Луброл РХ (лодециловый эфир полиэтнленглнколя)

562

Биологические мембраны

Луццатн |Luzzatl| Внтторио (р. 1923), французский биофизик. Окончил университет в Буэнос-Айресе (1947); с 1947 г. работает в Национальном центре научных исследований (Франция), в настоящее время — в Институте молекулярной генетики. Основные работы связаны с исследованием структуры и полиморфизма липидов, липопротеи нов и биологических мембран.

Бислой

Бислой, или бимолекулярный липидный слой, представляет собой термодинамически наиболее выгодную форму ассоциации тех липидов, молекулы которых не способны образовывать в воде небольшие агрегаты мнцеллярного типа. Возможность упаковки молекул в бислой, как и в случае мнцелл, определяется прежде всего соотношением размеров полярной и неполярной частей молекулы (рис. 292).

I

Нормальные мицеллы

I

Обратный конус

Обращенные мицеллы

Рнс. 292. Схематическое изображение формы липидных молекул, наиботее склонных к образованию нормальных мнцетл обращенных мнцелл и бимозе-кулярного слоя.

I

Цилиндр

Липидный биилой

Как правило, бислой легко формируется липидами, у которых невелики различия между площадью, занимаемой полярной голоа-кой, и поперечным сечением углеводородных цепей. Именно такое соотношение размеров характерно для большинства фосфолипидов, являющихся осноаными компонентами биологических мембран. В бислое агрегированные молекулы липидов уложены в виде даух параллельных монослоев, обращенных друг к другу своими гидрофобными сторонами. Полярные группы липидных молекул образуют соответственно две гидрофильные поверхности, отделяющие внутреннюю углеводородную фазу бислоя от водной среды.

563

Основные принципы построения мембранных липидных структур

Характерным признаком липидоа, образующих бислойные структуры, является исключительно низкая аеличина критической концентрации мицеллообразования ( 10 1"М). Это означает, что доля неассоциироаанных липидных молекул, находящихся в равновесии с бислоем, исключительно мала и практически весь липид находится в составе крупных надмолекулярных образований. Их структура и морфология зааисят от соотношения липид—вода. Значительный вклад в исследование такого рода водно липидных систем анес В. Луццати.

564

Биологические мембраны

Рис. 293. Мультиламеллярное строение водно-лнпидных систем, образуемых протяженными бислоями

Липид

Вода

При низком содержании воды (в случае фосфатидилхолина до 565 40% воды по массе) водно-липидная система существует в виде

гомогенной фазы, имеющей ламеллярное (слоистое) строение. Она Основные принципы

образована параллельно расположенными протяженными бислоями, построения мембранных

отделенными друг от друга водными прослойками (рис. 293). липидных структур

При дальнейшем увеличении содержания воды система становится двухфазной, состоящей из фрагментов максимально гидратирован ной ламеллярной фазы в избытке воды. Эти фрагменты, получившие название липосомы (см. далее), представляют собой замкнутые многослойные макроструктуры, которые состоят из концентрических липидных бислоев, разделенных изолированными водными промежутками (рис. 294). В определенных условиях могут быть получены также моноламеллярные липидные пузырьки (или везикулы); в них только один липидный бислой отделяет внутреннее водное содержимое от окружающей среды. Возможность замыкания бислоя самого на себя с образованием однослойных или многослойных везикулярных структур обеспечивается его эластичностью и гибкостью, а движущей силой этого процесса является стремление устранить Энергетически невыгодный контакт воды с гидрофобными областями на краях незамкнутого бислоя.

Толщина липидного бислоя определяется прежде всего длиной углеводородных цепей и обычно варьирует в пределах 4—5 нм. Она зависит также от наличия двойных саязей и боковых заместителей в цепи, т. е. в конечном счете от плотности упаковки липидных молекул в бислое. Присутствие в углеводородных непях_ двойных связей в уис->конфигурации. боковых метильных групп и других

заместителей нарушает плотность упаковки молекул и приводит к уменьшению толщины бислоя. Внешним фактором, сильно влияющим на степень упорядоченности липидного бислоя, является температура.

В зависимости от температуры липидный бислой может находиться в двух основных фазовых состояниях — кристаллическом (или гелевом) и жидкокристаллическом. Нередко эти состояния называют «твердым» и «жидким», имея в виду, что физический смысл переходе между ними заключается а плавлении или заморажиаании углеводородных цепей липидных молекул. Переход бислоя из кристаллического в жидкокристаллическое состояние (и обратно) происходит при строго определенной температуре, характерной для

566

Биологические мембраны

данного липида и называемой температурой фазового перехода гель—жидкий кристалл О ) Важную роль в изучении фазовых переходоа а липидном бислое сыграл Д. Чепмен.

Таблица 24

Температура фазового перехода Чепман |Chapman| Деннис (р. 1926), английский биофизик, работающий ¦ области биофизической химии, член Лондонского Королевского общества. Известен работами по исследованию биофизических мембран, в частности по выяснению природы липид-липид-ных и липид белковых взаимодействий.

Длина

ацильной Название фосфолипнда

цепн

12 Дилаутюнлфос4>атндилхолнн 0

14 Димиристоилфосфатиднлхолин 23

16 Дилалт^итонлфосфатнднлхолнн 41

18 Дистеа роил фссфатндал холин 58

18 1 Сгеаронл 2 олеонлфссфатндил холин 2

18 Диолсонлфск^тиднлхолнн -22

14 ^Iл^QП»cтоилфccфa^l^днлэтaнoлaмян 51

16 ДДллальмитонлфосфаттщилэтаноламин 63

16 Днлальмитоилфосфатидилсернн 51

Температура фазового перехода зависит как от строения углеводородных цепей липидных молекул, так и от природы их полярных головок. Как правило, чем длиннее углеводородные цепн в молекуле, тем выше температура фазового перехода (табл 24). В гомологичном ряду липидов 1п обычно возрастает на 15—20 С при увеличении дли-ны насыщенной цепи на 2 метиленовых звена. Введение цис-этиленовой связи даже в одну углеводородную цепь липндной молекулы резко понижает температуру фазового перехода. Еще большее снижение i происходит при введении цис-двойной связи в другую углеводородную цепь. При этом степень снижения t„ зависит от положения двойной связи в цепи: наибольший эффект наблюдается, когда двойная связь занимает положение у девятого или десятого атома углеводородной цепи. Аналогичным образом влияет введение метильной группы в углеводородные цепи липидных молекул: 1п сильнее всего снижается, если метильная группа находится в середине

цепи, не практически не меняется, когда разветвление происходит на ее концевом участке.

Различия в строении полярных головок липидных молекул также существенно сказываются на температуре фазового перехода. Например, при одних и тех же углеводородных цепях I для фо фати илхолнна на 20 С ниже, чем для фосфати ди а амина В случае отрицательно заряженных фосфолипидов температура фа во перехода зависит от степени ионизации полярных групп (обычно in падает по мере увеличения степени ионизации) и присутствия двухвазентных катионов (особенно Са'*) в водной среде (как правило, связывание Са 1 повышает 1п). Изменении 1„ в зависимости от условий среды показывают, что температура не является единственным фактором, определяющим фазовое состояние липидного бислоя. Во многих случаях фазовые изменения могут происходить и при постоянной температуре за счет изменений рН, ионного состава среды, присутствия мембранотропных веществ, а также изменений липидного состава бислоя. О важности фазового состоянии липидов для функционирования мембран свидетельствуют, например, многочисленные факты корреляции между ^ мембранных липидов и активностью ряда мембраносвязанны х ферментов.

567

Основные принципы построения мембранных липидных структур

Современные представления о механизме фазоаы переходов в мембранах основаны на рассмотрении молекулярной подвижности компонентоа бислоя, и прежде всего подвижности углеводородных цепей липидных молекул. Наличие большого числа ординарных ' С—С-связей в углеводородной цепи позволяет ей принимать разнообразные конформацни за счет процесса гош-гранс-изомеризации. Однако вследствие близкого расположения соседних цепей в бис ое препятствующих свободному аращению вокруг С—С-связей, не все конформацни углеводородного скелета являются возможными. Поэтому гош-гранс-изомеризация происходит в виде сопряженных g *"—t — g -поворотов в смежных сегментах С—С-связей. В результате на углеводородной цепи появляется ряд изгибов или изломов (кинков), а которых два ош ро амера разделены одним, двумя, тремя и т. д. три не -сегмента ми (рис. 295). Углеводородная цепь средней длины (16— 18 углеродных атомов) может содержать до 5 го ш-рота ме ров. Возникающие при этом кинки постоянно мигрируют вдоль цепи, что приводит к появлению а бислое дефектов упаковки липидных молекул. Аналогичное влияние на упаковку оказывают цис э и еноаые связи, присутстаие которых приводит к образованию постоянного кинка а углеводородной цепи.

-180° -120° -60° 0° вОс 120° 180е

56В При температуре ниже г„ углеводородные цепи липидных мо-

лекул имеют максимально вытянутую трансоидную конформацию

Биологические мембраны и находятся в состоянии наиболее плотной упаковки. Подвижность

цепей а гелевой фазе бислоя очень ограничена, и они претерпевают лишь слабые торсионные колебания. Плавление углеводородных цепей во аремя фазового перехода сопровождается резким усилением их вращательной и колебательной подаижности за счет поаы-шеиия вероятности гош транс изомеризации и как следствие этого возникновении кинков а цепях. Такие кийки воздействуют на

Рис. 295. Формирование кинков иа углеводородной цеп и вследствие со пряженных гош/гранс-иэомериэаций:

(а) — полностью трансоидная конформация цепи,

(б) — 2gl кинк fe) — 2g2 кинк; fz) — 3g2-KHHK.

<Т0 >Тп А-площадь, приходищвясв

на молекулу 1—длина молекулы

Рис. 296. Влияние фазового перехода на упаковку молекул в бисдое.

структуру бислоя, вызывая укорочение цепей и увеличение расстояния между отдельными липидными молекулами Результатом этого является уменьшение толщины бислоя, сопровождающееся его латеральным растяжением (рис. 296). Например, появление 2 кинков в каждой ацильной цепи фосфолипидной молекулы уменьшает толщину бислоя на 0,7 нм и увеличивает площадь, приходящуюся на одну молекулу, примерно на 0,22 нм', Таким образом, вследствие возрастания подвижности углеводородных цепей при температу-рах выше тем ературы фазового переходе липидный бислой становится менее упорядоченным и переводится из твердообразного геле-вого состояния в жидкоподобное, текучее состояние, в котором дальний порядок в расположении липидных молекул отсутствует, а углеводородные цепн совершают хаотические движения вокруг ординарных С—С-связей.

В плоскости липидиого бислоя распределение липидных молекул может быть неоднородным в зависимости от состава липидоа, условий окружающей среды и действия различных мембранотроп-ных агентоа. Важный аспект гетерогенности липидов в бислое состоит в том, что перераспределение липидных молекул между различными доменами подразумевает их способность к легкой миграции вдоль поверхности бислоя или, иными словами, способность к так называемой латеральной диффузии. В жидкокристаллическом состоянии бислоя скорость латеральной диффузии липидных молекул очень высока. Коэффициент латеральной диффузии липидов лежит в пределах 10 10 см с Это означает, что за 1 с фос фолипидная молекула совершает от 1000 до 100 000 скачков с размером шага, равным ее поперечнику (~ 1 нм). Скорость латераль-

ной диффузии липидных молекул резко падает при переходе бислоя из жидкокристаллического а гелевое состояние.

В отличие от латеральной диффузии, миграция липидов с одной стороны бислоя на другую обычно происходит чрезвычайно медленно. Этот процесс получил в литературе название «флип-флоп» (рис. 297). Скорость латеральной диффузии и флип-флопа липидов была апервые измерена Р Д Корнбергом и Г М. Мак-Коннелом в 1971 г. Полупериод флип-флопа составляет величины порядка нескольких часоа или даже дней, т. е. фосфолипидной молекуле для пересечения бислоя толщиной в 4—5 нм понвдобится целый день, тогда как в ходе латеральной диффузии она преодолевает это расстояние за —2,5 мкс. Причина исключительно медленного флип-флопа заключается в его энергетической невыгодности, так как требуется перенести полярную головку фосфолипидной молекулы через гидрофобную область бислоя Однако а ряде случаев ско рость флип-флопа может значительно аозрастать под действием ряда факторов, таких, как необычная структура липида, неустойчивое фазоаое состояние бислоя или присутствие в нем молекул, облегчающих перенос полярной головки липидной молекулы через гидрофобную среду.

С трансмембранной миграцией липидов тесно связан вопрос об их распределении между двумя сторонами бислоя. В результате замыкания бислоя в везикулярные структуры обе его поверхности становятся топологически неэквивалентными: наружная поверхность бислоя в таких структурах контактирует с окружающим водным раствором, а внутренняя ограничивает собственный водный объем везикул. Более того, обе поверхности отличаются по своей кривизне — наружная является аыпуклой, а внутренняя — вогнутой. Все это приводит к тому, что условия, в которых находятся липидные молекулы на разных сторонах бислоя, значительно различаются по таким параметрам, как плотность упаковки молекул, ионный состав среды, рН, наличие или отстутствие каких-либо мембрано-

569

Основные принципы построения мембранных липидных структур

Май Кони л ]McConnell| Г рден Мер-еден (р. 1927), американский физикохи-мик. Образование получил в университете Дж. Вашингтона в Сент-Луисе и Калифорнийском технологическом институте я Пасадене, с 1964 г. работает в Стэнфордсиом университете. Основные работы — по применению методов ЭПР и ЯМР в химии и исследованиях мембран и рецепторов. Связал спектры ЭПР сверхтонкой структуры с распределением спиновой плотности неспаренных электронов по углеродным атомам молекулы (1956, уравнение Мак Коннелла)

ЭКТИаНЫХ аеществ и Др.

страница 74
< 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
(30.05.2017)