Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002
Структура и функции клеточных компонентов
Биомембраны
Свойства полярных липидов и их агрегатов
Липиды, формирующие биомембраны, представляют собой амфифильные соединения (рис. 4.1, 4.2). Эта особенность организации находит отражение в их свойствах: в водном окружении молекулы полярных липидов спонтанно агрегируют с образованием структур, у которых гидрофобные части молекул упакованы внутрь и защищены гидрофильными головками, обращенными к воде. Такие агрегаты могут иметь разную форму и структуру, которая зависит от строения молекулы липида и от соотношения размеров полярной и неполярной ее частей.
Наиболее простые агрегаты амфифильных молекул называются мицеллами. Причем в зависимости от природы растворителя липиды могут образовывать либо мицеллы обычного типа, либо так называемые «обращенные» мицеллы (рис. 4.5). В воде формируются обычные мицеллы, у которых гидрофобные углеводородные цепи изолированы от водного окружения гидрофильными полярными головками.
Рис. 4.5. Липидные мицеллы в воде и неполярных растворителях
В неполярных растворителях (бензол, гексан и др.), содержащих следовые количества воды, формируются обращенные мицеллы, у которых ориентация липидных молекул противоположная (рис. 4.5). К мицеллообразующим липидам относятся соли высших жирных кислот и формы липидов, у которых на молекулу приходится всего одна углеводородная цепь, а также многие детергенты. Липидные мицеллы могут иметь разную форму: сферическую (рис. 4.5), цилиндрическую, эллипсоидную, дискообразную. Особой разновидностью липидных агрегатов являются бислои (бимолекулярные слои). Как правило, эти структуры формируются липидами, не способными образовывать мицеллы, например фосфолипидами. Возможность организовываться в бислои определяется, как и в случае мицелл, соотношением размеров полярной и неполярной частей молекулы.
Благодаря своей эластичности и гибкости бислои могут замыкаться сами на себя с образованием ламеллярных пузырьков, которые называют липосомами (рис. 4.6).
Липосомы служат удобными модельными системами для изучения мембран, а также используются для доставки лекарственных препаратов в различные органы и ткани. Причем в этом случае появляется возможность изолировать лекарственный препарат от разрушающих его ферментов и адресно доставить к очагу заболевания. Липосомы и мицеллы можно получить при обработке ультрафиолетом или ультразвуком водных дисперсий полярных липидов, например фосфатидилхолина.
Силами, стабилизирующими структуру липидного бислоя, являются: гидрофобные взаимодействия, водородные связи и ван-дер-ваальсовы силы. Гидрофобные взаимодействия вносят наибольший вклад в процесс стабилизации бислоев: под действием этих сил система принимает такую
Рис. 4.6. Структурное представление о липосомах и липидных бислоях структурную организацию, при которой сводятся к минимуму контакты между неполярными участками липидных молекул и водой. Суммарное изменение свободной энергии при переносе неполярного вещества из неполярного растворителя в воду термодинамически неблагоприятно из-за энтропийных эффектов, связанных с нарушением структуры воды как растворителя. Можно сказать, что невыгодные взаимодействия между неполярным растворяемым веществом и водой — это и есть «гидрофобные силы». Водородные связи образуются между полярными головками некоторых липидов. Ван-дер-ваальсовы силы представляют собой короткодействующие слабые силы притяжения между соседними гидрофобными цепями.
Толщина липидных бислоев определяется длиной углеводородных цепей, а также наличием в них двойных связей и заместителей, т. е. плотностью упаковки гидрофобных хвостов. Обычно этот параметр варьирует в пределах 4—5 нм.
Липидный бислой представляет собой жидкую среду с низкой вязкостью (консистенция растительного масла). В зависимости от температуры липидный бислой может находиться в двух основных состояниях — кристаллическом (твердом или гелевом) и жидкокристаллическом (жидком). Обычно этот переход осуществляется при температуре 15—40° С, но для каждого конкретного липида этот параметр строго определен и называется температурой фазового перехода (tn). Температура фазового перехода зависит от строения углеводородных хвостов и полярных головок. Рис. 4.7 дает схематическое представление о фазовом переходе липидов в бислоях. При переходе мембран из жидкокристаллического состояния в фазу геля текучесть уменьшается приблизительно на два порядка. Поддержание жидкокристаллического состояния очень важно для функционирования мембран, и клетки обладают механизмами регулирования текучести мембран, которые основаны на изменении состава липидов в бислоях. Особенно большое значение данный механизм имеет для пойкилотермных организмов, не способных поддерживать определенную температуру тела и зависящих от температуры окружающей среды.
Рис. 4.7. Фазовые переходы в состоянии липидного бислоя