загрузка...
загрузка...
На головну

Фазові переходи ліпідів в мембранах

  1. Активація перекисного окислення ліпідів
  2. Б. Біологічні функції ліпідів
  3. Гетеропереходи першого і другого типів.
  4. Гомо- і гетеропереходи
  5. Діаграма стану сплавів, що зазнають фазові перетворення в твердому стані (змінна розчинність)
  6. ЛІПІДІВ І біомембранні
  7. ОСНОВНІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ПРОСТИХ ЛІПІДІВ

Речовина при різних температурі, тиску, концентраціях хімічних компонентів може перебувати в різних фізичних станах, наприклад газоподібному, рідкому, твердому, плазмовому. Кристалічному твердому станом речовини можуть відповідати різні фазові стани (кристалічні модифікації - графіт і алмаз, наприклад).

Тверде тіло може бути як кристалічним (мається дальній порядок в розташуванні частинок на відстанях, багато перевищують міжмолекулярні відстані - кристалічна решітка), так і аморфним, наприклад, скло (немає далекого порядку в розташуванні атомів і молекул). Різниця між твердим аморфним тілом і рідиною полягає не в наявності або відсутності далекого порядку, а в характері руху частинок. І молекули рідини, і молекули твердого тіла здійснюють коливальні (іноді обертальні) руху біля положення рівноваги. Через деякий середній час - "час осілого життя" - відбувається перескок молекули в інше положення рівноваги. Різниця полягає в тому, що час осілого життя в рідині багато менше, ніж в твердому тілі. Лшшдние біслойную мембрани при фізіологічних умовах - рідкі, час осілого життя фосфоліпідних молекул в мембрані мало: i »10 -7 - 10-8 с.

Але молекули в мембрані розміщені не безладно, в їх розташуванні спостерігається дальній порядок. Фосфоліпідні молекули перебувають у подвійному шарі, а їх гідрофобні хвости приблизно паралельні один одному. Є порядок і в орієнтації полярних гідрофільних голів.

Фізичний стан, при якому є дальній порядок у взаємній орієнтації і розташуванні молекул, але агрегатний стан рідке, називається рідкокристалічнимстаном.

Рис.9. Розташування молекул в аморфному (а) і жидкокристаллическом станах (б, в, г)

Рідкі кристали можуть утворюватися не у всіх речовинах, а в речовинах з "довгих молекул" (поперечні розміри яких менше поздовжніх). Можуть бути різні рідкокристалічні структури: нематического (ниткоподібна), коли довгі молекули орієнтовані паралельно один одному; смектична (милообразная) - молекули паралельні один одному і розташовуються шарами; хо-лестеріческая - молекули розташовуються паралельно один одному в одній площині, але в різних площинах орієнтації молекул різні (повернені на деякий кут в одній площині щодо іншої).

Біслойних ліпідна фаза біологічних мембран відповідає смектіческом жидкокристаллическому станом.

Рідкокристалічні структури дуже чутливі до зміни температури, тиску, хімічного складу, електричного поля. Це визначає динамічність ліпідних біслойних мембран - зміна їх структури при різних, навіть невеликі зміни зовнішніх умов або хімічного складу. При зміні умов речовина може перейти в інше фазовий стан (наприклад, з газоподібного в рідкий, з рідкого у твердий, з однієї кристалічної модифікації в іншу).

Фізичними методами дослідження показано, що ліпідна частина біологічних мембран при певних температурах відчуває фазовий перехід першого роду. У фосфоліпідної мембрані при зниженні температури відбувається перехід з рідкокристалічного в гель-стан, яке умовно іноді називають твердокрісталліческім У гель-стані молекули розташовані ще більш впорядковано, ніж в рідкокристалічному. Все гідрофобні вуглеводневі хвости фосфоліпідних молекул в гель-фазі повністю витягнуті строго паралельно один одному (мають повністю транс-конформацію). У рідкому кристалі за рахунок теплового руху можливі транс-гош-переходи, хвости молекул згинаються, їх паралельність один одному в окремих місцях порушується, особливо сильно в середині мембрани.

Мал. 10. Зміна структури мембрани при переході з рідкокристалічного в гель-стан і назад при зміні температури.

Товщина мембрани в гель-фазі більше, ніж в рідкому кристалі. Однак при переході з твердого в рідкокристалічний стан обсяг дещо збільшується, тому що значно збільшується площа мембрани, яка припадає на одну молекулу (від 0,48 нм2 до 0,58 нм2). Так як в твердокрісталліческом стані більше порядок, ніж в рідкому кристалі, йому відповідає менша ентропія.

Для нормального функціонування мембрана повинна бути врідкокристалічному стані. Тому в живих системах при тривалому зниженні температури навколишнього середовища спостерігається адаптационное зміна хімічного складу мембран, що забезпечує зниження температури фазового переходу. Температура фазового переходу знижується при збільшенні числа ненасичених зв'язків у жирно-кислотних хвостах. У хвості молекули може бути до чотирьох ненасичених зв'язків.

Залежно від хімічного складу ліпідних мембран температура фазового переходу гель - рідкий кристал може змінюватися від -20 ° С (для мембран з ненасичених ліпідів) до +60 ° С (для насичених ліпідів). Збільшення числа ненасичених ліпідів в мембрані при зниженні температури проживання спостерігається у мікроорганізмів, рослинних і тваринних клітин. Приклад пристосування клітинних мембран до температурних умов - зміна температури фазового переходу (за рахунок зміни хімічного складу мембранних ліпідів) ноги полярного оленя. Температура уздовж ноги полярного оленя від копита до тулуба може взимку змінюватися від -20 ° С до +30 ° С. Клітинні мембрани у дистальній частині ноги оленя містять більше ненасичених фосфоліпідів.

Мабуть, первинний механізм кріоушкоджень (пошкоджень при охлаждениях) біологічних мембран пов'язаний з фазовим переходом в гель-стан. Тому біологічні мембрани містять велику кількість холестерину, що зменшує зміни в мембрані, що супроводжують фазовий перехід. У деяких мікроорганізмів біологічні мембрани знаходяться при температурах, лише на трохи перевищують температуру фазових переходів ліпідів. Мембрана містить десятки різних ліпідів, яким відповідають різні температури фазового переходу, в тому числі близькі до фізіологічних. При зниженні температури в мембрані відбуваються фазові перетворення в ліпідному Біслі.

У роботах В. ф. Антонова доведено, що при фазових переходах з гель в рідкокристалічний стан і назад в ліпідному Біслі утворюються наскрізні канали, радіусом 1-3 нм, за якими через мембрану можуть переноситися іони і низькомолекулярні речовини. Внаслідок цього при температурі фазового переходу різко збільшується іонна провідність мембрани. Збільшення іонної провідності мембран може врятувати клітку від кріоушкоджень за рахунок збільшення виходу з клітини води і солей - привести до порушення її бар'єрної функції, що перешкоджає кристалізації води всередині клітини. Підвищення іонної провідності мембран при фазовому переході, можливо, дозволяє підтримувати метаболічний обмін деяких мікроорганізмів. Великий інтерес представляє цей ефект для пояснення термо- і хеморецепции. Відомо, що перенесення іонів через мембрану лежить в основі формування біопотенціалів, зміна іонної провідності обумовлює нервовий імпульс. Не виключено, що нервовий імпульс, який свідчить про зниження або підвищення температури, утворюється за рахунок зміни іонної проникності ліпідного бішару при фазовому переході мембранних ліпідів.

Мабуть, і деякі види хеморецепции можуть бути пов'язані з фазовим переходом мембранних ліпідів, оскільки фазовий перехід може бути викликаний не тільки зміною температури, але і зміною хімічного складу навколишнього середовища. Наприклад, доведено, що при даній температурі фазовий перехід з рідкокристалічного стану в гель-стан може бути викликаний збільшенням концентрації Са2+ в фізіологічному діапазоні від 1 до 10 ммоль / л у водному розчині, що оточує мембрану.

Дуже істотним є та обставина, що молекули фосфоліпідів мають два хвоста. Така молекула в просторі має форму, близьку до циліндра. З молекул фосфоліпідів у водному середовищі відбувається самосборка біслойной мембрани. Присутність молекул з одним хвостом (лизолецитин), що мають в просторі форму, близьку до конусу, руйнує клітинні мембрани. Фосфоліпідні молекули, позбавлені одного з хвостів, утворюють пори в біслойной мембрані, т. Е. Порушується бар'єрна функція мембран.

Щільність упаковки фосфоліпідів в ліпідному каркасі залежить від того, які жирні кислоти входять до складу фосфоліпідів - чим більше подвійних зв'язків між атомами вуглецю в СН-ланцюгах, тим більше проміжок між сусідніми молекулами в мембранному каркасі, що, в свою чергу, зменшує його жорсткість і підсилює проникність мембрани для речовин.

Разом з тим на щільність упаковки фосфоліпідів впливає холестерин -стероїд, в молекулі якого чотири кільця. Холестерин здатний вбудовуватися в ліпідний лад. При цьому мембрана ущільнюється. Площа, яку займає фосфолипидами мембрани скорочується, до тих пір, поки на одну молекулу холестерину не приходитиме 2 молекули фосфоліпідів. При цьому мембрана стає більш в'язкою.

Третій клас мембранних ліпідів - гліколіпіди - Грає важливу роль в запобіганні злипання сусідніх клітин. Ці ліпіди забезпечують негативний заряд на поверхні мембрани і сприяють електростатичного відштовхування. При надмірному вмісті гликолипидов можливо сильне роз'єднання ліпідів і порушення інформаційної взаємодії.

Встановлено значні відмінності ліпідного складу різних біологічних мембран. Мембран властива постійна перебудова ліпідного складу. Руйнування ліпідів відбувається під дією лізолейціна (двуцепочний фосфолипид перетворюється в одноцепочной). Реакція каталізується ферментом - фосфолипазой А2. У природних умовах ендогенна фосфолипаза А2 забезпечує постійне оновлення ліпідного каркаса, а у внутрішній регуляції, служить каталізатором синтезу простагландинів з арахідонової кислоти. Надмірне надходження в організм людини фосфоліпази (при укусах деяких змій) викликає руйнування мембран, несумісне з життям. Інша фосфоліпаза С, що виділяється деякими мікроорганізмами, «відкушує» голови ліпідів, і також призводить до руйнування ліпідного каркаса мембрани.

 




Основні функції біологічних мембран | Пасивний перенос речовин через мембрану | Активний транспорт речовин. досвід Уссінга | Електрогенних іонні насоси | Вторинний (зв'язаний) активний транспорт. | Ліпідні пори: стабільність і проникність мембран | ГЛАВА 3. БІОЕЛЕКТРИЧНІ ПОТЕНЦІАЛИ | ГЛАВА 4. МЕХАНІЗМИ ГЕНЕРАЦІЇ ПОТЕНЦІАЛУ ДІЇ | Типи керованих каналів. | Структура іонного каналу. |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати