Липид-липидные взаимодействия. Динамика липидов в мембране
Длина растянутой углеводородной цепи жирной кислоты, состоящей из 18 атомов углерода, составляет 2 нм, на полярную головку приходится еще 0,5 – 0,7 нм, следовательно, толщина бислоя липидов должна превышать 4 нм, но в действительности толщина двойного слоя липидов оказывается равной 3,5 – 4 нм. Причиной обнаруженного феномена является рыхлое, а не упорядоченное расположения остатков жирных кислот. Раз одна из двух жирных кислот, образующих гидрофобный хвост, ненасыщенная, как правило, увеличивается вероятность образования цис-конформации.
Наличие цис-изомеров жирных кислот в составе фосфолипидов, а также высокая скорость вращения вокруг С-С связей жирно-кислотных радикалов (например, частота вращения вокруг единичной С-С связи составляет 1010, а вокруг двойной С=С связи – 108 с-1) обеспечивают неупорядоченное расположение гидрофобных хвостов. Различные конфигурации молекул жирных кислот, возникающие при поворотах вокруг С-С связей, называют ротамерами или конформерами. Процесс изменения конформации молекул за счет таких поворотов называется транс-гош-изомеризацией. Гош-конформация (“гош” – скошенный) аналогична цис-конформации. Вероятность транс-гош-перехода весьма велика и еще более возрастает при увеличении температуры. При переходе из транс- в гош-конформацию образуются складки или кинки (от англ. Kink – петля). Такого рода изменения способны захватывать целые кластеры мембранных липидов. Считается, что именно с образованием кинков связан транспорт воды и других веществ через мембраны.
Липиды способны совершать вращательные движения вокруг оси молекулы (вращательная диффузия), перемещаться вдоль одного слоя (латеральная диффузия), а также перемещаться из одного слоя в другой (трансмембранный переход или флип-флоп). Наибольшую скорость имеют вращательная и латеральная диффузия. Например, коэффициент латеральной диффузии составляет 1,8×10-8 см2 с-1. Это соответствует частоте парных перестановок соседних молекул 107 с-1. Наиболее медленным процессом является флип-флоп, что связано с высоким уровнем энергии, необходимой для проталкивания заряженных полярных головок через средний углеводородный слой мембраны. Поперечная диффузия молекул фосфолипидов на расстояние 5 нм занимает в 109 раз больше времени, чем диффузия на то же расстояние в латеральном направлении.
|
Рис.8. Виды диффузии липидов в мембране 1-латеральная диффузия; 2-трансмембранный переход или флип-флоп; 3-вращательная диффузия. |
Сочетание быстрой диффузии молекул липидов вдоль мембраны и медленной диффузии поперек мембраны имеет большое значение для функционирования мембран. Благодаря этому поддерживается упорядоченность в молекулярной структуре мембраны, определенная ориентация белков поперек мембраны, что имеет значение для направленного переноса веществ через мембрану, кроме того, обеспечивается асимметрия бислоя липидов. Функциональная асимметрия мембраны – один из важнейших аспектов, характеризующих липид – липидные взаимодействия. Асимметрия бислоя означает, что состав липидов каждого из слоев неодинаков.
Фазовые переходы липидов
В водной среде липидные структуры часто ведут себя как жидкие кристаллы – обладают анизотропией и некоторыми признаками упорядоченности. Это связано с тем, что они в качестве двуцепочечных амфифильных (амфипатических) молекул способны образовывать двойные слои в водной среде. Полярные головки при этом обращены в водную среду, а неполярные хвосты создают гидрофобную среду.
Бислой обладает свойствами лиотропного мезоморфизма (зависимость состояния от гидратации) и термотропного мезоморфизма (зависимость состояния от температуры). Эти свойства связаны друг с другом – температура фазового перехода зависит от степени гидратации, а так же от рН, электрического заряда и от ионного состава раствора.
При достижении критической температуры в липидном бислое происходит фазовый переход из состояния жидкого кристалла в гель и обратно. В полностью однородном бислое (состоящем из одного типа липидных молекул) фазовые переходы являются кооперативными. То есть в узком температурном интервале им охватывается весь бислой.
В момент фазового перехода возрастает подвижность полярных головок и гидрофобных хвостов, меняется геометрия бислоя – увеличивается его площадь и возрастает гидрофобный объём мембраны.
Фазовые переходы в мембране, обладают склонностью к кооперативности, то есть к генерализации с помощью так называемых конформационно –чувствительных сигналов.