Фазовое поведение липидного бислоя
Одним из свойств липидного бислоя является относительная подвижность (текучесть) отдельных молекул липидов и то, как эта подвижность меняется с температурой. Этот отклик известен как фазовое поведение бислоя. В общих чертах, при данной температуре липидный бислой может существовать как в жидкой, так и в твердой фазе. Твердую фазу обычно называют «гелевой» фазой. Все липиды имеют характерную температуру, при которой они претерпевают переход ( плавление ) из гелевой фазы в жидкую. В обеих фазах молекулы липидов ограничены двумерной плоскостью мембраны, но в бислоях жидкой фазы молекулы свободно диффундируют внутри этой плоскости. Таким образом, в жидком бислое данный липид будет быстро меняться местоположением со своим соседом миллионы раз в секунду и будет в процессе случайного блуждания мигрировать на большие расстояния. [1]
Ограничения движения
[ редактировать ]В отличие от такой большой подвижности в плоскости, молекулам липидов очень трудно переворачиваться с одной стороны липидного бислоя на другую. В бислое на основе фосфатидилхолина этот процесс обычно происходит в течение нескольких недель. [2] Это несоответствие можно понять с точки зрения базовой структуры бислоя. Чтобы липид перешел с одного листка на другой, его гидратированная головная группа должна пересечь гидрофобное ядро бислоя, а это энергетически невыгодный процесс. В отличие от бислоев жидкой фазы, липиды в бислое гелевой фазы зафиксированы на месте и не проявляют ни переворачивающейся, ни латеральной подвижности. Из-за ограниченной подвижности гелевые бислои лишены важного свойства жидких бислоев: способности повторно закрывать небольшие отверстия. Бислои жидкой фазы могут самопроизвольно залечивать небольшие пустоты, почти так же, как пленка масла на воде может проникать внутрь, заполняя зазор. Эта функциональность является одной из причин того, что клеточные мембраны обычно состоят из бислоев жидкой фазы. Ограничения движения липидов в липидных бислоях также накладываются наличием белков в биологических мембранах, особенно в кольцевой липидной оболочке, «прикрепленной» к поверхности интегральных мембранных белков .
Физическое происхождение
[ редактировать ]
Фазовое поведение липидных бислоев во многом определяется силой притягивающих ван-дер-ваальсовых взаимодействий между соседними липидными молекулами. Степень этого взаимодействия, в свою очередь, зависит от длины липидных хвостов и от того, насколько хорошо они могут слипаться друг с другом. Липиды с более длинными хвостами имеют большую площадь для взаимодействия, что увеличивает силу этого взаимодействия и, следовательно, снижает подвижность липидов. Таким образом, при данной температуре липид с коротким хвостом будет более жидким, чем идентичный в остальном липид с длинным хвостом. [3] Другим способом выразить это было бы сказать, что температура фазового перехода геля в жидкость увеличивается с увеличением числа атомов углерода в липидных алкановых цепях. Насыщенные липиды фосфатидилхолина с хвостами длиной более 14 атомов углерода являются твердыми при комнатной температуре, а липиды с числом атомов углерода менее 14 являются жидкими. Это явление аналогично тому, что парафин , состоящий из длинных алканов, при комнатной температуре является твердым, а октан ( бензин ), короткий алкан, — жидким.
Помимо длины цепи, на температуру перехода также может влиять степень ненасыщенности липидных хвостов. Ненасыщенная двойная связь может вызвать перегиб в алкановой цепи, нарушая регулярную периодическую структуру. Это нарушение создает дополнительное свободное пространство внутри бислоя, что обеспечивает дополнительную гибкость соседних цепей. Именно нарушение упаковки приводит к снижению температуры перехода с увеличением двойных связей. [3] Это особенно мощный эффект; уменьшение общей длины цепи на один атом углерода обычно изменяет температуру перехода липида на десять градусов Цельсия или меньше, но добавление одинарной двойной связи может снизить температуру перехода на пятьдесят градусов или более (см. Таблицу). Примером этого эффекта можно отметить в повседневной жизни, поскольку сливочное масло , содержащее большой процент насыщенных жиров , остается твердым при комнатной температуре, а растительное масло , которое в основном ненасыщенное, является жидким.
| Длина хвоста | Двойные облигации | Температура перехода |
|---|---|---|
| 12 | 0 | -1 |
| 14 | 0 | 23 |
| 16 | 0 | 41 |
| 18 | 0 | 55 |
| 20 | 0 | 66 |
| 22 | 0 | 75 |
| 24 | 0 | 80 |
| 18 | 1 | 1 |
| 18 | 2 | -53 |
| 18 | 3 | -60 |
Смешанные системы
[ редактировать ]Бислои не обязательно должны состоять из одного типа липидов, и фактически большинство природных мембран представляют собой сложную смесь различных липидных молекул. Такие смеси часто проявляют промежуточные свойства по отношению к их компонентам, но также способны к явлению, не наблюдаемому в однокомпонентных системах: разделению фаз . Если некоторые из компонентов являются жидкими при данной температуре, а другие находятся в гелевой фазе, эти две фазы могут сосуществовать в пространственно разделенных популяциях. Это разделение фаз играет решающую роль в биохимических явлениях, поскольку компоненты мембраны, такие как белки, могут разделяться на одну или другую фазу. [5] и, таким образом, быть локально концентрированным или активированным.
Холестерин
[ редактировать ]
Присутствие холестерина оказывает глубокое, но сложное влияние на свойства липидного бислоя из-за его уникальных физических характеристик. Хотя это липид, холестерин мало похож на фосфолипид . Гидрофильный домен холестерина довольно мал и состоит из одной гидроксильной группы. К этой гидроксильной группе примыкает жесткая плоская структура, состоящая из нескольких сросшихся колец. На противоположном конце кольцевой структуры находится короткий одинарный хвост-цепочка. На протяжении десятилетий было известно, что добавление холестерина к бислою жидкой фазы снижает его проницаемость для воды. [6] [7] Совсем недавно было показано, что способ этого взаимодействия обусловлен интеркалированием холестерина между липидными молекулами, заполнением свободного пространства и уменьшением гибкости окружающих липидных цепей. [8] Это взаимодействие также увеличивает механическую жесткость жидкой мембраны. липидных бислоев [9] и уменьшает их коэффициент боковой диффузии. [10] Напротив, добавление холестерина к бислоям гелевой фазы нарушает локальный порядок упаковки, увеличивая коэффициент диффузии. [10] и снижение модуля упругости. Взаимодействия холестерина с многокомпонентными системами еще более сложны, поскольку могут приводить к образованию сложных фазовых диаграмм . [11] Одной из липидно-холестериновых систем, которая в последнее время тщательно изучается, является липидный рафт. Липидные рафты представляют собой гелевые домены, обогащенные холестерином, которые потенциально участвуют в определенных клеточных сигнальных процессах. [12] но этот вопрос остается спорным, и некоторые исследователи сомневаются даже в их существовании in vivo. [13]
Липидный полиморфизм
[ редактировать ]
Смешанные липидные липосомы могут претерпевать изменения в различные фазовые дисперсионные структуры, называемые липидными полиморфизмами , например, сферические мицеллы , липидные двухслойные ламели и гексагональные фазовые цилиндры, в зависимости от физических и химических изменений в их микроокружении. [14] фазового перехода Температуру липосом и биологических мембран можно измерить с помощью калориметрии , магнитно-резонансной спектроскопии и других методов. [15]
См. также
[ редактировать ]- Кольцевая липидная оболочка
- Шестиугольная фаза
- Липидный бислой
- Липидный полиморфизм
- Липидомика
- Липосома
- Текучесть мембраны
- Мембранные липиды
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Х.К. Берг, «Случайные прогулки по биологии». Расширенное издание в мягкой обложке. Изд. ред. 1993, Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.
- ^ Р. Хоман и Х. Дж. Паунолл. «Трансбислойная диффузия фосфолипидов: зависимость от структуры головной группы и длины ацильной цепи». Biochimica et Biophysical Acta 938. (1988) 155-166.
- ^ Jump up to: а б В. Равич, К.К. Ольбрих, Т. Макинтош, Д. Нидэм и Э. Эванс. «Влияние длины цепи и ненасыщенности на эластичность липидных бислоев». Биофизический журнал. 79. (2000) 328-39.
- ^ Дж. Р. Сильвиус. Термотропные фазовые переходы чистых липидов в модельных мембранах и их модификации мембранными белками. John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк. (1982)
- ^ Дитрих, К.; Воловик З.Н.; Леви, М.; Томпсон, Нидерланды; Джейкобсон, К. (2001). «Разделение Thy-1, GM1 и аналогов сшитых фосфолипидов на липидные рафты, восстановленные в монослоях модельной мембраны на носителе» . Труды Национальной академии наук . 98 (19): 10642–10647. дои : 10.1073/pnas.191168698 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 58519 . ПМИД 11535814 .
- ^ Корвера, Э.; Моуритсен, О.Г.; Сингер, Массачусетс; Цукерманн, MJ (1992). «Проницаемость и влияние длины ацильной цепи на фосфолипидные бислои, содержащие холестерин». Биохимика и биофизика Acta . 1107 (2): 261–270. дои : 10.1016/0005-2736(92)90413-г . ПМИД 1504071 .
- ^ Нидэм, Д.; Нанн, RS (1990). «Эластическая деформация и разрушение липидных бислойных мембран, содержащих холестерин» . Биофизический журнал . 58 (4): 997–1009. Бибкод : 1990BpJ....58..997N . дои : 10.1016/s0006-3495(90)82444-9 . ПМК 1281045 . ПМИД 2249000 .
- ^ Бхаттачарья, С.; Халдар, С. (2000). «Взаимодействие между холестерином и липидами в двухслойных мембранах: роль головной группы липидов и связи углеводородной цепи с основной цепью» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1467 (1): 39–53. дои : 10.1016/s0005-2736(00)00196-6 . ПМИД 10930507 .
- ^ Д. Боал, «Механика клетки». 2002, Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.
- ^ Jump up to: а б Рубинштейн, Дж.Л.; Смит, бакалавр; МакКоннелл, HM (1979). «Боковая диффузия в бинарных смесях холестерина и фосфатидилхолинов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 76 (1): 15–18. Бибкод : 1979ПНАС...76...15Р . дои : 10.1073/pnas.76.1.15 . ПМЦ 382866 . ПМИД 284326 .
- ^ Коняхина, Т.М.; Ву, Дж; Мастроянни, доктор медицинских наук; Хеберле, Ф.А.; Фейгенсон, GW (сентябрь 2013 г.). «Фазовая диаграмма 4-компонентной липидной смеси: DSPC/DOPC/POPC/хол» . Biochimica и Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1828 (9): 2204–14. дои : 10.1016/j.bbamem.2013.05.020 . ПМК 3738200 . ПМИД 23747294 .
- ^ Дитрих, К.; Багатолли, Луизиана; Воловик З.Н.; Томпсон, Нидерланды; Леви, М.; Джейкобсон, К.; Граттон, Э. (2001). «Липидные рафты, восстановленные в модельных мембранах» . Биофизический журнал . 80 (3): 1417–1428. Бибкод : 2001BpJ....80.1417D . дои : 10.1016/s0006-3495(01)76114-0 . ПМЦ 1301333 . ПМИД 11222302 .
- ^ Манро, С. (2003). «Липидные рафты: неуловимые или призрачные?» . Клетка . 115 (4): 377–388. дои : 10.1016/s0092-8674(03)00882-1 . ПМИД 14622593 . S2CID 14947495 .
- ^ ЯшРой, RC (1994). «Дестабилизация ламеллярных дисперсий липидов мембран тилакоидов сахарозой» . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Липиды и липидный обмен . 1212 (1): 129–133. дои : 10.1016/0005-2760(94)90198-8 . ПМИД 8155722 .
- ^ ЯшРой, RC (1990). «Определение температуры фазового перехода мембранных липидов по интенсивностям ЯМР 13С» . Журнал биохимических и биофизических методов . 20 (4): 353–356. дои : 10.1016/0165-022x(90)90097-v . ПМИД 2365951 .