Фазовые переходы мембранных липидов

Фазовое состояние, в котором в данный момент находятся липиды бислоя, - гелеобразное или жидкокристаллическое - оказывает влияние на все типы молекулярной подвижности липидных молекул.

Липиды обладают замечательным свойством - они способны к фазовым переходам в физиологических условиях. При определенных температурах, строго характерных дЛя каждого вида липидов, в водной среде липидные мицеллы (рис. 1.17, а, б), образуемые фосфолипидами (ламеллярные, мицеллярные, гексагональные), могут находиться в упорядоченном (гелеобразном) или в разупорядоченном (мезофазном), так называемом жидкокристалличесом, состоянии. Жидкие кристаллы - это анизотропные жидкости: оптически они сходны с кристаллами, так как проявляют разные свойства в различных направлениях, а механически подобны жидкости (изотропны), текут в зависимости от вязкости.

Жидкие кристаллы, сочетая в себе упорядоченность твердого тела и подвижность жидкости, отличаются высокой чувствительностью к внешним воздействиям: температуре, примесям, свету, внешним полям; они очень пластичны и достаточно долго хранят информацию. Эти свойства приобретают первостепенное значение в мембранах нервной ткани, где изменения электрических свойств лежат в основе проведения возбуждения.

Таким структурам присущи лиотропный мезоморфизм (зависимость структуры от гидратации) и термотропный мезоморфизм (зависимость структуры от температуры).

Температура фазового перехода липидов «гель- жидкий кристалл» зависит от содержания воды в системе. Температура перехода минимальна, если общее содержание воды превышает то ее количество, которое могут связать липидные структуры. В то же время при недостатке воды липиды могут находиться в упорядоченном состоянии и при температуре, выше критической. Таким образом, температура фазовых переходов липидов, осуществляющихся по типу «гель-жидкий кристалл», зависит от содержания воды в системе.

Примером существенного влияния волы на фазовые переходы бислоя является модификация мембраны под влиянием перекисного окисления липидов (ПОЛ), способного снижать температуру фазового перехода. Это явление объясняется увеличением содержания воды в бислое. Делю в том, что гидратация бислоя зависит от присутствия заряженных фосфолипидов. Наиболее сильно она возрастает при индукции ПОЛ. Образующиеся в качестве промежуточных продуктов гидроперекиси являются высокогидрофильными, они эффективно разрушают бислой, увеличивая доступность гидрофобных доменов мембраны для молекул воды. Именно по этим причинам ПОЛ имеет такое «разрушительное» влияние на клеточные мембраны.

Термотропные фазовые переходы липидов в мембране происходят в сравнительно широком температурном интервале (в несколько градусов). Это обусловлено тем, что в бислое более «жидкая» фаза возникает в окружении другой, более упорядоченной. Сосуществование в ли-пидном бислое двух фаз устанавливает между ними сложное равновесие, приводя к снижению кооперативности фазового перехода. Обычно кооперативные фазовые переходы липидов в мембране затрагивают несколько сотен молекул. В нативной мембране постоянно находится большое количество кооперативных единиц той или иной фазы. Гетерогенность мембран выражается, в частности, в наличии липидных рафтов.

На температуру фазового перехода большое влияние оказывают природа липидных молекул, длина углеводородного скелета, наличие цис- и транс-двойных связей, структура полярных групп.

При переходе липидов из гелеобразного в жидкокристаллическое состояние одновременно происходит несколько событий: возрастает вращательная подвижность липидов, увеличиваются колебательная подвижность жирнокислотных радикалов относительно С-С-связей и скорость латеральной диффузии. Все это связано с изменением геометрических размеров бислоя из-за латерального расширения площади, занимаемой каждой молекулой липида. Например, площадь, занимаемая 2С16-фосфатидилхолином, меняется от 0,49 до 0,58 нм2, среднее расстояние между молекулами увеличивается от 0,49 до 0,52 нм, а толщина мембраны уменьшается почти на 0,5 нм, т. е. латеральное расширение слоя компенсируется его утончением. Гидрофобный объем мембраны увеличивается примерно на 1,5%.

Жидкокристаллическое состояние доменов мембраны, увеличивая вращательную подвижность жирнокислотных радикалов относительно С-С-связей, способствует транс-гош-изомеризации(ротамеризации).

В мембранном бислое облегчается образование различных конформеров жирных кислот. При повороте на ±120° относительно транс-кон-формации появляются гош(+)- и гош(-)-конформации. Из-за неодновременности проявления этих свойств в ходе фазовых перестроек бислоя более упорядоченные области мембраны сосуществуют с уже расплавленными - наблюдается фазовое разделение. В данных условиях для мембраны характерно появление разного рода структурных дефектов, индуцирующих всплывание» белковых молекул друг с другом, а также встраивание в бислой молекул холестерина, повышение его проницаемости для ионов и т. д.

Наличие фазовых переходов, индуцируемых температурой, - объективная характеристика бислоя, состоящего из различных по свойствам компонентов. Фазовые переходы липидов при постоянной температуре среды могут быть вызваны изменениями заряда их полярных групп, возникающими при изменениях рН, ионной силы, концентрации ионов. Доказано, что температура фазового перехода есть функция величины и плотности заряда липицных молекул. Любое увеличение заряда полярных групп благоприятствует сохранению разупоряцоченного (жидкокристаллического) состояния ввиду латерального электростатического отталкивания, тогда как уменьшение заряда обусловливает переход в гелеобразное состояние.

Важным способом изменения поверхностного заряда липидов в физиологических условиях является адсорбция катионов. Связывание катионов заряженными липидами зависит от поверхностного потенциала, значительно различающегося в разных фазовых состояниях, что определяется молекулярной упаковкой липидных молекул.

Адсорбция или десорбция катионов на мембранной поверхности может инициировать фазовые переходы липидов. При определенных физиологических условиях структурные изменения липидов вызывают высвобождение двухвалентных катионов с поверхности мембраны. Так, при переходе «гель-жидкий кристалл» с липидной поверхности высвобождаются ионы кальция. Са2+ и М2 стабилизируют организованную структуру, повышая температуру фазового перехода, а одновалентные катионы вызывают противоположный эффект. Другими словами, двух валентные катионы благоприятствуют гелеобразному, а одновалентные -жидкокристаллическому состоянию мембраны.

Таким образом, поверхность липидов может рассматриваться как резервуар катионов, объем которого регулируется структурными изменениями мембраны. Таким образом, фазовые переходы в мембране индуцируются не только изменениями температуры. Они могут быть вызваны сдвигом рН среды, электрическим потенциалом, двухвалентными катионами способствующими образованию кластеров определенных фосфолипидов и разделению фаз; фазовые переходы также сопровождают действие гормонов на биологические мембраны.

Кроме перехода типа «гель—жидкий кристалл» липиды могут претерпевать превращения другого рода, приводящие к образованию гек-сагоiiальной фазы Н11 (рис. 1.17) Эти небислойные структуры легко образуются короткоцепочечными кислыми фосфолипидами (например, фосфатидилсерином, фосфатидной кислотой). Образованию гексагональных структур способствуют такие явления, как повышение температуры, увеличение ненасыщености жирнокислотных цепей, высокая ионная сила при щелочном рН, а также понижение гидратации бислоя. Переход отдельных участков бислоя в фазу Н II приводит к нарушению целостности мембраны, формированию каналов проницаемости, образованию дефектных зон.

Поиск по сайту: