2.Физические свойства мембран.

1. Измерение подвижности молекул мембраны и диффузия частиц через мембрану свидетельствуют о том, билипидный слой ведет себя подобно жидкости. Но, с другой стороны, мембрана есть упорядоченная структура, свойственная кристаллам. Эти два факта заставляют думать, что фосфолипиды в мембране находятся в жидкокристаллическом состоянии.

2. Вязкость липидного слоя мембраны на 2 порядка (в 100 раз) выше, чем у воды. От вязкости липидного слоя зависит скорость поступательного и вращательного движения молекул (в том числе мембранных белков и ионов), т.е. вязкость определяет подвижность ионов и молекул, проникающих через мембрану (проницаемость мембраны), а, следовательно, регулирует скорость протекающих в мембранах ферментативных реакций.

3. Поверхностное натяжение липидного слоя на 2-3 порядка (100-1000 раз) меньше, чем у воды. Значит поверхностная энеогия липидного слоя незначительна , что облегчает диффузию веществ через мембрану.

4. При изменении температуры в мембране наблюдаются фазовые переходы: плавление липидов при нагревании и кристаллизация при охлаждении. Структура молекул в жидком и кристаллическом состояниях различна. В жидкой фазе молекулы фосфолипидов могут образовывать полости (кинки), в которые способны внедряться молекулы диффундирующего вещества.

5. Двойной фосфолипидный слой уподобляепт мембрану конденсатору. Электроёмкость 1 мм² мембраны составляет 5-13 нФ.

Модели искусственных мембран для изучения свойств мембран.

1. Частокол Ленгмюра – монослой фосфолипидов. Модель создана в 1917 году.

На поверхность воды наносят каплю растворенных в каком-либо растворителе фосфолипидов или жирных кислот. После распределения их молекул на поверхности воды и испарения расворителя на поверхности воды остается пленка. Адсорбированные молекулы липидов располагаются перпендикулярно поверхности воды.

2. Липосомы – широко распространенная модель. Это мель-чайшие пузырьки, состоящие из билипидной мембраны. Получаются при обработке смеси воды и фосфолипидов ультразвуком. На ней хорошо изучать влияние состава фосфолипидов на свойства мембран или влияние мембран на свойства втсраеваемых белков.

3. Билипидная мембрана. Берется два водных раствора, разде-

л енных тефлоновой перегородкой

с отверствием. Отверствие заполняют фосфолипидом, растворенным в гексане. Когда растворитель и изли-шек липида растекаются по тефлону, в отверстии образуется бислой, толщиной в несколько нанометров.

На такой мембране удобно изучать проницаемость мембраны для разных агентов, измерять сопротивление мембраны или генерируемый на ней потенциал.

Методы исследования мембран

1. Микрокалориметрия. Изучаются фазовые переходы на каком-либо участке мембраны и оценивают размеры “кооперативных единиц”, т.е. число молекул, участвующем в фазовом переходе. Для этого измеряют теплоемкость суспензии фосфолипидов при разных температурах в области фазового перехода. Например, для синтетического липида дистеароил-фосфатидил-холина графики зависимости от , где - абсолютная температура выглядят так

В области фазового перехода при происходит резкое возрастание теплоемкости. Площадь под кривыми соответствует количеству теплоты , поглощаемого при переходе из твердого состояния в жидкое. Зная массу фосфолипида в пробе, можно рассчитать энтальпию плавления

и энтропию при плавлении

.

Энтрапия возрастает с ростом длины углеводородной цепи жирных кислот, причем на каждую метиленовую группу приходится примерно постоянное увеличение энтропии при фазовом переходе. Т.о. мы можем судить о длине куглеводородной цепи липидов.

Площадь под кривой от до

пропорциональна количеству молекул уже претерпевших фазовый переход.

2. ИК - спектроскопия.

Этот метод основан на замечательном свойстве природы: молекулы каждого вещества имеют индивидуальные, специфические спектры поглощения. Молекулярные спектры позволяют

исследовать состав мембран, строение молекул в мембране и характер межмолекулярных взаимодействий.

3. Люминесцентный анализ.

Производят на спектрофлюоиметрах.

Молекулы белков обладают флюоресценцией. Параметры флюоресценции чувствительны к структуре окружения флюоресцирующей молекулы. Поэтому по люминесценции можно изучать химические превращения и межмолекулярные взаимодействия.

Для исследования мембран к мембранным системам добавляют флюоресцирующие молекулы: флюоресцентные зонды, если молекула образует нековалентную связь с мембраной , или флюоресцентные метки, если молекула образует химическую связь с мембраной.

При освещении мембранной системы с флюоресцирующей молекулой поляризованным светом люминесценция оказывается также поляризованной. Если флюоресцентный зонд неподвижен (например, раствор заморожен), то степень поляризации будет мексимальной. Однако, если зонд или метка находятся в жидком растворе, то он за время возбужденного состояния успевает переориентироваться (перестроится), а поэтому изменится и степень поляризации люминесценции до величины . Изменение степени поляризации зависит от вязкости окружающих зонд молекул. Т.о люминесцентный анализ позволяет определить вязкость мембран, а также конформационные перестройки в белках и мембранах.