Фізичний стан і фазові переходи ліпідів у мембранах

Речовина при різній температурі, тиску, концентраціях хімічних компонентів може знаходитися в різних фізичних станах, наприклад газоподібному, рідкому, твердому, плазмі. Кристалічному твердому станові речовини можуть відповідати різні фазові стани (кристалічні модифікації). Як приклад різних кристалічних модифікацій тої самої речовини – вуглецю — можна назвати графіт і алмаз.

Із середньої школи відомо, що характерними, відмітними рисами твердого тіла є власний об’єм, форма, механічна міцність; рідини – власний об’єм, відсутність пружності стосовно зміни форми і механічної міцності, плинність.

Тверде тіло може бути як кристалічним (мається дальній порядок у розташуванні часток на відстанях, що багато перевищують міжмолекулярні відстані – кристалічні ґрати), так і аморфним, наприклад скло (немає далекого порядку в розташуванні атомів і молекул).

Розходження між твердим аморфним тілом і рідиною складається не в наявності або відсутності дальнього порядку, а в характері руху частинок ( молекули рідини, і молекули твердого тіла) роблять коливальні (іноді обертальні) рухи біля положення рівноваги. Через деякий середній час – "час осілого життя" – відбувається перескок молекули в інше положення рівноваги. Розходження полягає в тому, що час осілого життя в рідині багато менший, ніж у твердому тілі.

Ліпідні бішарові мембрани при фізіологічних умовах – рідкі, час осілого життя фосфоліпідних молекул у мембрані мав: τ » 10^-7 – 10^-8 с.

Разом з тим, молекули в мембрані розміщені не безладно, у їхньому розташуванні спостерігається дальній порядок. Фосфоліпідні молекули знаходяться в подвійному шарі, а їхні гідрофобні хвости приблизно рівнобіжні один одному. Є порядок і в орієнтації полярних гідрофільних голів.

Фізичний стан, при якому є далекий порядок у взаємній орієнтації і розташуванні молекул, але агрегатний стан рідке, називається рідкокристалічним станом.

Рідкі кристали можуть утворюватися не у всіх речовинах, а в речовинах з "довгих молекул" (поперечні розміри яких менше подовжніх). Можуть бути різні рідкокристалічні структури (мал. 1.9, б, у, г): нематична (нитковидна), коли довгі молекули орієнтовані паралельно одна одній; смектична (милоподібна) – молекули рівнобіжні одна одній і розташовуються шарами; холестерична – молекули розташовуються паралельно одна одній в одній площині, але в різних площинах орієнтації молекул різні (повернені на деякий кут в одній площини щодо іншої).

Бішарева ліпідна фаза біологічних мембран відповідає смектичному рідкокристалічному станові.

Рідкокристалічні структури дуже чуттєві до зміни температури, тиску, хімічного складу, електричному поля. Це визначає динамічність ліпідних бішаревих мембран – зміна їхньої структури при різних, навіть невеликих змінах зовнішніх умов або хімічного складу. При зміні умов речовина може перейти в інший фазовий стан (наприклад, з газоподібного в рідкий, з рідкого у твердий, з однієї кристалічної модифікації в іншу).

Як показано фізичними методами дослідження: дилатометрією (вимір коефіцієнта об'ємного розширення) і калориметрією (вимір теплоємності), методом рентгеноструктурного аналізу й ін., ліпідна частина біологічних мембран при визначених температурах випробує фазовий перехід першого роду. Згідно даних рентгеноструктурного аналізу, радіоспектроскопії, флюоресцентного аналізу, інфрачервоної спектроскопії й інших фізичних досліджень, у фосфоліпідній мембрані при зниженні температури відбувається перехід з рідкокристалічного в гель-стан, що умовно іноді називають твердокристалічним (мал. 1.10).

У гель-стані молекули розташовані ще більш упорядковано, ніж у рідкркристалічному. Усі гідрофобні вуглецеві хвости фосфоліпідних молекул у гель-фазі цілком витягнуті строго паралельно один одному (мають цілком трансконформацію). У рідкому кристалі за рахунок теплового руху можливі транс-гош-переходи, хвости молекул згинаються, їхня паралельність один одному в окремих місцях порушується, особливо сильно в середині мембрани.

Товщина мембрани в гель-фазі більша, ніж у рідкому кристалі (мал. 1.10). Однак при переході з твердого в рідкокристалічному стані об’єм трохи збільшується, тому що значно збільшується площа мембрани, що приходиться на одну молекулу (від 0,48 нм² до 0,58 нм²). Тому що у твердокристалічному стані більший порядок, чим у рідкому кристалі, йому відповідає менша ентропія.

Для нормального функціонування мембрана повинна бути в рідкокристалічному стані. Тому в живих системах при тривалому зниженні температури навколишнього середовища спостерігається адаптаційна 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.

У залежності від хімічного складу ліпідних мембран температура фазового переходу гель – рідкий кристал може мінятися від –20°С (для мембран з ненасичених ліпідів) до +60°С (для насичених ліпідів). Збільшення числа ненасичених ліпідів у мембрані при зниженні температури існування спостерігається в мікроорганізмів, рослинних і тваринних клітин. Цікавий 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 узимку мінятися від -20 °С до +30 °С. Клітинні мембрани в дистальної частини ноги оленя містять більше ненасичених фосфоліпідів.

Очевидно, первинний механізм кріоушкоджень (ушкоджень при охолодженнях) біологічних мембран зв'язаний з фазовим переходом у 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 небагато перевищуючу температуру фазових переходів ліпідів. Мембрана містить десятки різних ліпідів, яким відповідають різні температури фазового переходу, у тому числі близькі до фізіологічного. При зниженні температури в мембрані відбуваються фазові перетворення в ліпідному бішарі.

У роботах В.Ф. Антонова доведено, що при фазових переходах з гель- у рідкокристалічний стан і назад у ліпідному бішарі утворяться наскрізні канали, радіусом 1-3 нм, по яких через мембрану можуть переноситися іони і низькомолекулярні речовини. Унаслідок цього при температурі фазового переходу різко збільшується іонна провідність мембрани.

Збільшення іонної провідності мембран може врятувати клітку від кріопошкоджень за рахунок збільшення виходу з клітки води і солей – привести до порушення її бар'єрної функції, що перешкоджає кристалізації води усередині клітки. Підвищення іонної провідності мембран при фазовому переході, можливо, дозволяє підтримувати метаболічний обмін деяких мікроорганізмів. Великий інтерес представляє цей ефект для пояснення термо- і хеморецепції. Відомо, що перенос іонів через мембрану лежить в основі формування біопотенціалів, зміна іонної провідності обумовлює нервовий імпульс. Не виключено, що нервовий імпульс, що свідчить про зниження або підвищення температури, утвориться за рахунок зміни іонної проникності ліпідного бішару при фазовому переході мембранних ліпідів.

Очевидно, і деякі види хеморецепції можуть бути зв'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⁺ у фізіологічному діапазоні від 1 до 10 ммоль/л у водному розчині, що оточує мембрану.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Динаміка мембран. Рухливість фосфоліпідних молекул у мембранах.	\|	Модельні ліпідні мембрани

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.