Дефектные зоны. Роль холестерина

Как показано выше, различные виды подвижности липидных компонентов в бислое нарушают его гомогенную упаковку и приводят к появлению в мембране динамических дефектов. Высокая скорость вращения жирнокислотных радикалов вокруг С—С-связей, а также наличие в составе фосфолипидов цис-изомеров ненасыщенных жирных кислот делают бислой лостаточно рыхлым. Образование дефектов такого рода демонстрирует рисунок 1.18.

Рассмотрим насыщенные углеводородные цепи. Наиболее стабильна транс-конформация (1), в которой цепь максимально вытянута и не меняет своего направления, тогда как в гош-конформации ее направление меняется (2) и образуется дефект упаковки. Последовательность гош-транс-гош для трех смежных С-С-связей приводит к появлению в цепи излома (кивка), в результате чего участки цепи выше и ниже излома оказываются значительно смещенными друг относительно друга (3) - образуется дефект. Возможность формирования таких структур обеспечивает возникновение подвижных дефектов, способных захватывать целые кластеры мембраны. Их концентрация и подвижность зависят от температуры.

В случае ненасыщенных жирных кислот почти все двойные связи в мембранных липидах находятся в цис-форме. Как и в случае гош-формы, это приводит к изменению угла наклона цепи - образуется дефект. Такие пространственные дефекты бислоя, индуцируемые включением в него ненасыщенных жирных кислот, являются более стабильными. В результате появления дефектов бислой становится более рыхлым.

Рассмотрим вызванное дефектами изменение геометрии бислоя. Растянутая углеводородная цепь жирной кислоты, содержащая 18 углеродных атомов, имеет длину примерно 23-24 А, что возможно в случае геля, т. е. в случае высокоструктурированного (упорядоченного) состояния липидов. По этой причине можно было бы предположить, что бислой, составленный из фосфолипидов, жирные кислоты которых содержат 18-20 углеродных радикалов, должен иметь толщину более 47 А. Однако реальная толщина мембраны редко превышает это значение (она составляет на 15-20% меньшую величину). Это указывает на то, что жирнокислотные радикалы бислоя не распрямлены полностью, а образуют рыхлые структуры. В результате этого площадь мембраны оказывается несколько большей, чем следует из расчета теоретического пространства, приходящегося на одну молекулу фосфолипида. Встраивание холестерина в бислой делает возможным изменение формы мембран в результате значительной деформации обеих сторон липидного бислоя, так как в отличие от фос-фолипидов холестерин может легко перемещаться из одного монослоя в другой. При этом несколько возрастает и толщина бислоя.

Гетерогенность бислоя и образование в нем липидных кластеров способствуют разделению (сегрегации) фаз в мембране. Латеральное разделение липидных молекул в плоскости бислоя - важная особенность мембраны. Особая сегрегирующая роль в мембране принадлежит холестерину. При низких концентрациях его в мембране происходит латеральное разделение фосфолипид-холестериновых комплексов и свободных молекул фосфолипидов. При этом холестерин взаимодействует в первую очередь с теми молекулами фосфолипидов, которые имеют низкую температуру фазового перехода. Благодаря этому в бислое будут существовать как области только «жидкие» и только «твердые», так и области смешанные, где обе фазы сосуществуют. Наличие разных по плотности областей в пределах одной мембраны изменяет ее сжимаемость, что сказывается на глубине погружения мембранных белков и на эффективности их работы.

Необходимо отметить, что кроме сегрегирующего холестерин оказывает и другое важное воздействие на структуру и физические свойства липидного бислоя. Встраивание холестерина в фосфолипидный бислой вызывает как нарушение упаковки жирнокислотпых цепей, так и уменьшение их подвижности. Эти эффекты холестерина называют соответственно разжижающим и конденсирующим. При температуре, превышающей точку фазового перехода фосфолипица, холестерин уменьшает подвижность его углеводородных цепей. Так, при добавлении холестерина к фосфатидилхолиновым мембранам площадь молекулы фосфатидилхолина уменьшается с 0,96 до 0,56 нм2. Этот уплотняющий эффект холестерина максимален в районе центрального участка жирнокислотных радикалов и ослабевает в направлении концевых метальных групп. Но при температуре ниже точки фазового перехода фосфолипидов холестерин разжижает углеводородную область бислоя.

Наличие в углеводородных цепях кивков, двойных связей и других особенностей приводит к увеличению площади поперечного сечения углеводородной цепи (минимальное ее значение составляет около 19 А2) при ее полностью транс- конфигурации; это может иметь важные последствия для упаковки липидов в бислое. В жидкокристаллической фазе появление в цепи гош- конформеров увеличивает эффективное поперечное сечение углеводородных целей по меньшей мере до 50 А2. Толщина бислоя уменьшается за счет наличия в цепях гош-конформеров, приводящих к разупорядочиванию цепей, причем сами цепи в целом растянуты и расположены перпендикулярно поверхности бислоя.

В фазе геля насыщенные углеводородные цепи фосфолипидов находятся преимущественно в транс- конфигурации. Минимальная пло-щадь поперечного сечения молекулы диацильного фосфолипида составляет около 38 А2. Примерно такую же площадь занимает полярная головка фосфатицилэтаноламина, поэтому насыщенные фосфатидилэтаноламины в фазе геля упаковываются таким образом, что их ацильные цепи располагаются перпендикулярно плоскости бислоя (как в липидных кристаллах). На рисунках и схемах жирнокислотные цепи фосфолипидов в бислое, как правило, представляют скошенными относительно перпендикулярной оси мембран (см. рис. 1.18). Угол наклона цепей определяется природой полярной «головки» молекулы: наклон возникает в том случае, когда объем гидратированной «головки» молекулы больше площади сечения ее «хвостовой» части. Например, в случае кристаллов фосфатидилхолипа минимальная площадь, приходящаяся на одну полярную «головку»,составляет примерно 50 А2, поэтому дипальмитоилфосфатидилхолин (38 А2) в фазе геля не может упаковываться так, как фосфатидилэтаноламин.

В этом случае ацильные цепи дипальмитоилфосфатидилхолина Отклоняются от нормали к бислою на 30°, благодаря чему их поперечное сечение увеличивается, чем и достигается соответствие размерам полярной «головки». При этом углеводородные цепи сохраняют полностью транс- конформацию. В случае когда эти величины равны (например, для фосфатидилэтаноламина), скоса практически не наблюдается.

Наличие перечисленных особенностей обеспечивает определенную рыхлость упаковки мембранного бислоя при нормальных условиях, которая в литературе часто обозначается термином жидкостность, смысл которого противоположен термину микровязкость.

Поиск по сайту: