5. Механизм фазовых переходов в мембранах
Современные представления о механизме фазовых переходов в мембранах основаны на рассмотрении молекулярной подвижности компонентов бислоя и, прежде всего, подвижности углеводородных цепей липидных молекул. При Т < Тm углеводородные цепи липидных молекул имеют максимально вытянутую трансоидную конформацию и находятся в состоянии наиболее плотной упаковки. Подвижность цепей в гелевой фазе бислоя очень ограничена, и они претерпевают лишь слабые торсионные колебания. При увеличении температуры Т > Тm наблюдается резкое усиление вращательной и колебательной подвижности углеводородных цепей за счет повышения вероятности гош-транс-изомеризации и, как следствие этого, возникновение кинков (изгибов) в цепях (рисунок 1.15). Такие кинки воздействуют на структуру бислоя, вызывая укорочение цепей и увеличение расстояния между отдельными липидными молекулами. Результатом является уменьшение толщины бислоя, сопровождающееся его латеральным растяжением.
Рисунок 1.15 – Термотропный переход липидного бислоя гель–жидкий кристалл
В пределах плоскости липидного бислоя молекулы липидов способны свободно перемещаться. Такая миграция липидов вдоль поверхности бислоя называется латеральной диффузией. В жидкокристаллическом состоянии скорость латеральной диффузии очень высока: ее коэффициент лежит в пределах 10-9 –10-7 см2/с, т.е. за 1 с молекула липида совершает от 1000 до 100 000 скачков с размером шага, равным ее поперечному сечению (1 нм). В гелевом состоянии скорость латеральной диффузии резко падает. В отличие от латеральной диффузии, миграция липидов с одной стороны бислоя на другую происходит чрезвычайно медленно. Этот процесс перескока липидов на противоположную сторону бислоя называется флип-флоп (flip-flop). Полупериод флип-флопа составляет величину порядка от нескольких часов до нескольких дней при толщине липидного бислоя 4 нм. Причина этого исключительно медленного перескока молекул заключается в том, что энергетически невыгодно переносить полярную головку липида через гидрофобную область бислоя. В ряде случаев скорость флип-флопа может возрастать под действием ряда факторов (необычная структура липидов, неустойчивое фазовое состояние и т.д.). Биологическое значение фазового перехода гель-жидкий кристалл
Явление термотропного фазового перехода гель–жидкий кристалл имеет решающее значение для нормального функционирования биомембран в клетке. Для выполнения клеткой своих функций липидный бислой мембран должен находиться в жидкокристаллическом состоянии. Это необходимо, в первую очередь, для поддержания оптимальной активности мембранных белков-ферментов и обеспечения транспорта через мембраны. Было показано , что при замене ненасыщенных липидов на насыщенные в мембранах бактерий скорость прохождения веществ через мембрану уменьшалась в 20 раз.
Проницаемость бислоя значительно увеличивается при температуре фазового перехода (Тm) гель–жидкий кристалл (D. Papahadjopoulos et al., 1973).
Структура клеточных мембран. Модели.
Все клетки окружены цитоплазматической мембраной, которая представляет собой функциональную структуру, толщиной в несколько молекулярных слоев, которая ограничивает цитоплазму и большинство внутриклеточных структур, а так же образует единую систему канальцев, складок и замкнутых полостей, расположенных внутри клетки. Толщина редко превышает 10 нм, в этой структуре плотно упакованы липиды и белки, поэтому сухой вес мембраны составляет более ½ сухого веса клетки.
В состав входят:
Липиды - составляют мембранную матрицу. Наибольшее содержание фосфолипидов, в состав также входят сфингомиелины, цереброзиды, холестерин и минорные липиды;
Белки - составляют вариабельную часть. Могут быть интегральными (погружены в мембрану или пронизывают ее насквозь) и периферическими (на поверхности мембраны и слабо связаны с ней). По другой классификации ферментативные, транспортные, рецепторные, каналообразующие, воротные, структурные; Углеводы в виде гликопротеидов и гликолипидов. В состав мембранных углеводов входят: Д-галактоза, Д-глюкоза, Д-фруктоза, Д-манноза и другие; Небольшое кол-во воды. Вода делится на свободную, связанную и захваченную. Связанная и свободная вода различается по подвижности молекул воды и растворяющей способности. Наименьшей подвижностью и растворяющей способностью обладает внутренняя связанная вода. Основную часть связанной воды представляет вода гидратных оболочек. Эта вода окружает полярные группы белков и липидов, имеет min подвижность и практически не обладает свойствами растворителя. Свободная вода в порах и каналах. Она является хорошим растворителем, подвижная и обладает всеми свойствами жидкой воды. Захваченная вода обладает изотопным движением, характерным для жидкой воды, является хорошим растворителем. Она встречается в центральной зоне мембран, между ее липидными слоями, но эта вода пространственно делится как с внеклеточной жидкостью, так и с цитоплазмой. У нее нет возможности свободно с ними обмениваться.
Струкрурная организация мембран. Для биомембран характерна Ассимметричность – 2ух слоев, они могут состоять из разным липидов. Во многих случаях неполярные хвосты содержат цепочки от 10 до 22 атомов С, между которыми могут быть насыщенные и ненасыщенные связи. Внутренний слой бислоя нерыхлый, он содержит множество холестерина, он заполняет пространство между неполярными хвостами. Холестерин участвует в стабилизации мембран и будет влиять на проницаемость мембран, чем его больше, тем ниже проницаемость мембраны. Мембранные липиды обладают динамическими свойствами:
способность липидной молекулы к латеральной диффузии, коэффициент латеральной диффузии равен 3,25*10–8 см/сек. Коэф отражает способность перемещения липидной молекулы вдоль мембраны, вращательная диффузия, К=10–9 сек, flip-flop переход, липидные молекулы пересекают мембрану, переходя из одного слоя в другой. К=10–3 сек средняя величина, показывающая число переходов – 1 переход в 1000 сек.