17.Текучесть липидного бислоя мембраны.

Гидрофобный эффект препятствует выходу молекулярных компонентов мембраны в водную фазу за пределы мембраны. В то же время силы межмолекулярного взаимодействия не мешают молекулам в мембранах обмениваться местами друг с другом. Наиболее распространенными типами движения липидов в мембране являются: латеральная миграция (диффузия) в пределах монослоя; вращение молекул липидов вокруг собственных осей; движение хвостов молекул липидов; переход молекул липидов из одного монослоя в другой (флип-флоп переход). Под латеральной миграцией понимают перемещение молекул в плоскости мембраны. В жидкокристаллической структуре эти молекулярные перемещения совершаются скачками. Между частотой (V) таких перемещений, площадью (S), занимаемой молекулой в мембране и квадратом среднего расстояния (X²), которое проходит молекула за время t, установлены следующие соотношения:

и ,

Где D – коэффициент латеральной диффузии молекулой, измеряемый в м²/с. Молекулы липидов способны вращаться вокруг своих продольных осей. Скорость вращательного движения довольно велика. Кроме того, большой гибкостью обладают и углеводородные цепи фосфолипидов. Максимальная подвижность хвостов липидов наблюдается в центре бислоя, а раименьшая – около полярной головки липида. Следующим, наиболее ограниченным, типом перемещения в мембране молекул липидов является флип-флоп перемещение из одного монослоя мембраны в другой. Белковые молекулы, связанные с липидным бислоем, способны вращаться вокруг собственной оси, перемещаться в плоскости липидного бислоя. Однако, в силу энергетических причин, они не способны переходить из одного монослоя в другой. Коэффициент диффузии белков (D_б) рассчитывается по уравнению:

,

Где D_л – коэффициент диффузии липидов, F_л и F_б – площади, занимаемые в мембране липидами и белками. При физиологических условиях мембранные системы проявляют свойства двумерной жидкости. Вязкость этих сред формально можно определить исходя из уравнения Стокса – Эйнштейна:

,

Где r – радиус диффундирующей молекулы. При понижении температуры до определенного значения, искусственный липидный бислой переходит из жидкого состояния в гелеобразное. Такое изменение состояния липидного бислоя называется фазовым переходом. В момент фазового перехода значительно увеличивается подвижность липидов и, как результат, изменяется проницаемость мембран для веществ и ионов. Фазовый переход липидов является эндотермическим процессом. Липидным структурам присущ литропный мезоморфизм и термотропный мезоморфизм. Оба свойства связаны между собой. Фазовый переход липидов осуществляется при температуре, значение которой зависит от содержания воды в системе. В природных мембранах температура фазового перехода определяется физическими и химическими характеристиками жирных кислот. Дело в том, что температура плавления жирной кислоты находится в обратной зависимости от степени ненасыщенности. Чем больше ненасыщенных кислот, тем более она легкоплавка. На температуру плавления жирной кислоты оказывает влияние длина углеводородной цепи, а также число атомов углерода в цепи. Исследования на модельных мембранах позволили понять зависимость температуры фазовых переходов мембранных липидов от химических особенностей входящих в их состав жирных кислот. Оказалось, что цепи жирных кислот, не имеющие двойных цис-связей, легко укладываются параллельно друг другу и образуют кристаллические структуры. Двойные цис-связи создают изгиб в алифатической цепи, который мешает плотной упаковке молекул в бислое, так как увеличиваются межмолекулярные расстояния, что снижает эффективность гидрофобных взаимодействий между соседними хвостами липидов. Способность к кристаллизации возрастает с увеличением длины углеводородных хвостов липидов, так как в этом случае, напротив возрастает эффективность межмолекулярных взаимодействий между ними. В природных мембранах, содержащих различные липиды и белки, трудно ожидать проявления в чистом виде эффектов, связанных с фазовыми превращениями липидов при чётко выраженной температуре.

Т о, многокомпонентная система не только не плавится в широком температурном интервале, но и при разных температурах имеет разный состав жидких и твердых фаз. Биологическое значение этой особенности очевидно. Если бы липидные бислои были образованы липидами только одного типа, то мембраны обладали бы строго определенной температурой плавления и могли бы отвечать на колебания температуры изменением фазового состояния только по принципу все или ничего. Благодаря многокомпонентному составу, мембраны клеток могут претерпевать постепенные изменения фазового состояния в широком интервале температур, обеспечивая тем самым более тонкий контроль над функциями клеток.

18. Модельные мембранные системы. Модель - монослой липидов на границе раздела вода - воздух или вода - масло. Гидрофильные головки находятся в воде, а гидрофобные хвосты - в воздухе или в масле. Если постепенно уменьшать площадь, заниимающую монослоем, то удается получить монослои, в 2 молекулы расположены так же плотно, как и в одном из монослоев мембраны. При изменении состояния липидных молекул (под действием температуры, лекарственных препаратов) меняется площадь, занимаемая молекулами. Поэтому в биологических и медицинских исследованиях широко используются монослои синтетических липидов. изолированных из различных природных мембран. 1. Модель – монослой липидов на границе раздела вода – воздух или вода – масло. Гидрофильные головки находятся в воде, а гидрофобные хвосты – в воздухе или в масле. Схема 1:

Если постепенно уменьшать площадь, занимающую монослоем, то удается получить монослои, в 2 молекулы расположены так же плотно, как и в одном из монослоев мембраны. При изменении состояния липидных молекул (под действием температуры, лекарственных препаратов) меняется площадь, занимаемая молекулами. Поэтому в биологических и медицинских исследованиях широко используются монослои синтетических липидов, изолированных из различных природных мембран.

2. Бислойная липидная мембрана – создана Мюллером в 1962г. Заполнили отверстие в тефлоновой перегородке, разделяющей 2 водных раствора, фосфолипидном, растворенным в гептане, Схема 2:

После того, как растворитель и излишки липида растекаются по тефлону, в отверстии образуется бислой толщиной несколько мм. и диаметром приблизительно 1мм, Схема 3:

Расположив по обе стороны мембраны 2 электрода, можно измерить сопротивление мембраны или генерируемый на ней потенциал. Если по разные стороны перегородки поместить различные по химическому составу растворы, то можно изучить проницаемость мембраны для различных агентов, а так же лекарственных препаратов.

3. Липосомы - это мельчайшие пузырьки (везикулы), состоящие избилипидной мембраны и смеси воды и фосфолипидов. Они фактически являются биологической мембраной, полностью лишённой белковых молекул. В мед. Они используются для доставки лекарственных веществ в органы и ткани приготавливая их в среде содержащие нужное вещество. Не токсичны. Полностью усваиваются в организме. Обладают малой проницаемостью для ионов и большинства полярных молекул.

Схема 4:

Липосомы – липиды растворяют в органическом растворителе (бензол, хлороформ) и полученный раствор упаривают в вакууме в роторном испарителе. Липиды остаются на стенках колбы в виде пленки. В колбу с пленкой + водный буферный раствор и встряхивают его. Полученные липосомы выдерживают в водной среде в течении нескольких часов для установления равновесия. Протеолипосомы = в результате + белка. + Интегральный белок:

1.+ белок – часть липосом разрушается с образованием липопротеиновых комплексов.

2.липопротеиновые комплексы адсорбируются на поверхности оставшихся интактными липосом.

3.липиды комплексов сливаются с липидами липосомальной мембраны. Протеолипосомы встраиваются не во все клетки организма, а именно в те, которые нуждаются в лечении.