Механические и конформационные свойства мембран. Фазовые переходы

Механические свойства мембран. Гидрофобный эффект объединяет молекулярные компоненты в мембранах, препятствуя их выходу в водную фазу. Силы межмолекулярного взаимодействия не мешают молекулам обмениваться местами, перемещаться диффузным путем. Выделяют следующие виды движения молекул липидов:

1. Молекулы липидов совершают вращательное движение вокруг длинной оси. Время поворота на угол, равный 1 рад, составляет около 10^-9 с.

2. Диффузное перемещение липидов вдоль слоя составляет 10^-7 – 10^-8 см²/с. За одну секунду молекула может «обежать» мембрану эритроцита.

3. Трансбислойное движение (флип-флоп-переход) осуществляется с малой скоростью (3-30 мин) вследствие высокого барьера для пересечения полярной головкой липида углеводородной зоны мембран.

Движение белков из-за большой массы происходит медленнее:

1. Время вращения родопсина в фоторецептурных мембранах около 10^-6 с.

2. Латеральная диффузия в пределах 10^-10 – 10^-12 см²/с.

Следовательно, при физиологических условиях мембраны проявляют свойства двухмерной жидкости. Углеводородная зона имеет вязкость оливкового масла.

Конформационные свойства мембран. Мембраны могут находиться в двух фазовых состояниях: твердого двумерного кристалла (гель) или жидкокристаллического (расплавленного состояния).

Температура фазового перехода увеличивается с увеличением длины цепей и уменьшается с увеличением степени ненасыщенности жирнокислотных остатков.

У большинства мембран температура фазового перехода лежит в области отрицательных температур, т.е. в естественных условиях они находятся в «жидком» состоянии. Переход гель – жикокристаллическое состояние представляет собой переход углеводородных цепей из полностью транс-состояния в разупорядоченное состояние (жидкоподобная α-фаза). Плавление обусловлено вращательной изомеризацией углеводородных цепей липидов (рис. 4.3).

Гош- конформации (гош (+) и гош (-), поворот на + 120^о относительно транс- конформации) мало превышают по энергии транс- конформацию, но эти состояния разделяет энергетический барьер высотой около 12-17 кДж/моль.

Рис. 4.3. Вращательная изомеризация углеводородных цепей липидов: I - транс-конфигурация, II - гош-транс-гош-конфигурация, III - цис-транс-гош-конфигурация (Рубин, 2004).

Одиночная гош- конформация изменяет пространственную конфигурацию цепи на угол около 120^о. В плотно упакованных мембранах появление одиночных гош -конформаций невозможно. Синхронно появляются две гош-конформации (+ и -), разделенные С-С-связью в транс -конформации. Участок цепи образует уступ или петлю, которую называют кинком (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Кинк-блоки в углеводородных цепях мембран: I — в одном полуслое,

II — в двух монослоях липидного бислоя

Кинг уменьшает длину цепи на 0,127 нм. Часть цепи отодвигается, образуя свободный объем, а занимаемый молекулой общий объем увеличивается на 0,025-0,050 нм³. При увеличении числа кингов разупорядоченность мембран резко возрастает. В условиях высокой текучести гидрофобной зоны мембран кинг может изомеризоваться, смещаясь вдоль углеводородной цепи за счет синхронного поворота С-С-связей на 120 ^о.

Эту одномерную диффузию можно описать коэффициентом диффузии D_k:

D_k = 0,5 ν _k (ΔL)²,

ν _k – частота скачка одного кинка, ΔL – шаг одного скачка.

При допустимой частоте скачка кинка около 10¹⁰ с^-1, D_k около 10^-5 см²/с.

Трансмембранный перенос малых молекул (кислорода, воды, небольших молекул электролитов) осуществляется внутри свободного объема, образуемого кинком.

Фазовые переходы липидов в мембранах. При температурах выше фазового перехода углеводородные цепи стремятся принять конфигурацию клубка. Этому препятствуют силы поверхностного натяжения, мешающие возрастанию эффективной площади на молекулу в бислое.

При фазовом переходе изменяются скачком упорядоченность системы (энтропия) и ее объем, являющиеся первыми производными свободной энергии. Это переходы первого рода. В мембранах при плавлении основной вклад в изменение энтропии вносят новые конфигурации за счет транс-гош- изомеризации.

Для фосфотидилхолинов приращение энтропии на одну СН-группу составляет ΔS около 5,25 Дж · град-1 · моль.

Расчет вероятности транс -состояний p_t при температурах, несколько превышающих точку фазового перехода произведен по уравнению:

Для фосфотидилхолинов вероятность нахождения СН₂-группы в транс- конформации p_t = 0,8. Поскольку p_t + p_g =1, вероятность гош-конформации p_g около 0,1.

Следовательно, при температурах выше точки фазового перехода в углеводородных цепях из 16 атомов в среднем возникает около 2,8 гош -конформаций.

Одна фаза обязательно возникает в матриксе другой фазы («жидкий» и «твердый» бислои), образуется большое количество доменов новой фазы микроскопических размеров, но с большой удельной площадью поверхностей. В липидах число молекул, объединяющихся в кооперативную единицу, не превышает несколько сотен.

На границе раздела доменов будут действовать механические силы, в результате жидкокристаллические фазы доменов будут находиться под влиянием сил сжатия, а гель-объемы будут испытывать притяжение. В результате сложное равновесие между фазами устанавливается в широком температурном интервале, и крутизна фазового перехода уменьшается.

Особенности межмолекулярных взаимодействий в мембране.

В стабилизации структуры мембран наряду с обычными гидрофобными эффектами важное место занимают липид-белковые и белок-белковые взаимодействия и др., определяющие микрогетерогенность мембран.

Липид-липидные взаимодействия. Состояние липидов определяется:

• Электростатическими силами притяжения и отталкивания между заряженными полярными головками.

• Стерические факторы, учитывающие форму молекул липидов, характер расположения головок и гидрофобных углеводородных хвостов

• Сила гидротации (особенно при взаимодействии мембран между собой, препятствуют слипанию).

• Водородные связи между головками липидов.

В природных мембранах весьма вероятно гетерогенное распределение липидов, физиологическое значение явления является предметом дискуссии.

Липид-белковые взаимодействия. В основе лежат:

• Дисперсионные и электростатические силы.

• Водородные связи.

Начальные стадии взаимодействия белок – липидный монослой определяют в основном электростатические взаимодействия.

Взаимодействие белок – липидный бислой – это многостадийный процесс внутримембранного встраивания белка, обычно изменяется ионная проницаемость мембран.

Белковые молекулы внутри мембран имеют специфическое липидное окружение, от которого часто зависит активность фермента, например, родопсин зависит от длины углеводородных цепей липидов.

Белок-белковые взаимодействия проявляются в виде обратимой агрегации белков, сопровождающейся изменением функциональной активности. В основе могут лежать силы электростатического характера, более сложные взаимодействия, а также локальная кристаллизация липидов в мембране.

Циклы агрегации-дезагрегации белков распространены при пиноцитозе, на ряде стадий клеточного цикла, при слиянии мембран и т.д.

Перекисное окисление липидов биомембран. Перекисное окисление липидов – процесс, наблюдаемый при нормальном функционировании мембран, обычно возрастает при патологических состояниях организма. Начинается с образования свободнорадикальных продуктов за счет разрыва С-Н или С-С-связей.

Инициатором окисления служит активированный кислород в форме супероксидного анион-радикала О₂^-, пергидроксильного радикала НО ^.₂,гидроксильного радикалаНО ^. и синглетного кислорода ¹ О₂. Образование активированного кислорода в клетке происходит в ходе аэробного дыхания и фотосинтеза. У фагоцитирующих клеток кислородсодержание радикалы участвуют в уничтожении чужеродных клеток. Контакт паразита с растительной клеткой вызывает генерацию радикалов токсичных для паразита.

Ненасыщенные липиды биологических мембран – одна из наиболее уязвимых мишеней активированного кислорода. Меняются химический состав, физические параметры, ультразвуковая организация и функциональные характеристики мембран. Увеличивается вязкость мембран и отрицательный заряд на поверхности; потеря барьерных функций мембраны – в основе патогенеза многих заболеваний.
Раздел 5. Транспорт веществ и биоэлектрогенез

Проницаемость – способность мембраны пропускать вещества. Транспорт – перенос веществ через мембрану. Транспорт бывает активный (с затратой энергии, чаще АТФ) и пассивный (без дополнительных затрат энергии).

Выделяют следующие виды диффузии: диффузия жирорастворимых молекул, диффузия через поры, диффузия при участии переносчиков, пиноцетоз.

22. Транспорт неэлектролитов через мембраны. Диффузия: движущая сила. Закон Фика. Понятие об облегчённой диффузии.

Процесс пассивного прохождения веществ через мембрану подчиняется закону диффузии. Диффузия – процесс самопроизвольного установления равномерного распределения веществ в результате теплового хаотичного движения:

Законам диффузии подчиняется прохождение многих незаряженных частиц через мембраны. Закон Фика: потoк веществ J в направлении оси x пропорционален движущей силе, т.е. градиенту концентрации dc/dx:

J= -D dc/dx,

где D – коэффициент диффузии, см^{2 .} с^-1; размерность потока – моль ^. см^{-2 .} с^-1.

Коэффициент диффузии определяется размером и формой молекул.

Существует корреляция между проникающей способностью веществ и их растворимостью в липидах. Малые гидрофильные молекулы могут проникать и через поры в мембране. Для проникновения в гидрофобную часть мембраны или в узкую мембранную пору необходима частичная или полная дегидротация молекул, т.е. затраты на преодоление взаимодействия полярных групп молекул (-СООН, -ОН, - NH₂) с диполями воды.

Облегченная диффузия – пассивный транспорт веществ через мембрану при участии переносчиков:

Особенности транспорта при участии переносчиков:

1. Высокая специфичность, которая связана со способностью переносчиков различать близкие по структуре соединения (например, L-и D-изомеры сахаров и аминокислот).

2. С ростом концентрации субстрата скорость транспорта увеличивается только до некоторой предельной величины (насыщение).

3. Наблюдается чувствительность к низким концентрациям ингибиторов, взаимодействующих с переносчиками.

Начальная скорость переноса вещества, когда концентрация субстрата во внутреннем растворе = 0, описывается уравнением:

J – поток вещества через мембрану, s_o – концентрация вещества в наружном растворе, константа K_m – концентрация вещества, при которой J = J_max/2.

Ингибиторы транспортных систем имеют структурное сходство с транспортируемыми молекулами. Например, флоридзин ингибирует транспорт глюкозы в некоторые клетки.

Существуют переносчики, обладающие двумя центрами связывания субстрата. Транспорт одного вещества часто зависит от присутствия другого вещества, например, совместный перенос в одном направлении (симпорт) некоторых аминокислот и ионов натрия в эритроцитах и эпителиальных клетках кишечника:

Движущей силой транспорта с участием переносчика является градиент химического или электрохимического потенциала вещества. Движение молекул направлено на выравнивание концентраций и установление равновесия в системе. Градиенты вещества могут поддерживаться за счет того, что проникающие молекулы потребляются или образуются в ходе биохимических реакций по одну из сторон мембраны.

Общий поток через мембрану всегда включает компонент, обусловленный простой диффузией (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Зависимость начальной скорости J поступления вещества внутрь клеток от концентрации в наружной среде S_o: 1 — транспорт с участием переносчика, 2 — простая диффузия, 3 — суммарная скорость переноса (Рубин, 2004).