Материал: 9. Біофізика клітин

Коефіцієнт дифузії ліпідів дуже великий, при цьому ліпіди, що пе-ребувають поблизу молекул білків у межах двох-трьох діаметрів ліпід-ної молекули, дифундують з дещо меншою швидкістю, ніж вільні ліпі-ди. Молекули білків також досить швидко переміщуються, хоча й повільніше, ніж ліпіди.

Порівняно з латеральною дифузією «фліп-флоп» переходи відбу-ваються набагато рідше. Середній час між переходами молекули фос-фоліпіду з однієї поверхні мембрани на іншу не перевищує однієї годи-ни. Молекули білків майже не здійснюють таких переходів.

Істотні відмінності між швидкостями латеральної дифузії і «фліп-флоп» переходів дуже важливі. Така велика швидкість латеральної ди-фузії забезпечує високу швидкість хімічних реакцій, що відбуваються на мембранах, а мала швидкість «фліп-флоп» переходів сприяє збере-женню асиметрії мембран.

126

Завдяки поєднанню швидкої дифузії в площині мембрани з повіль-ною дифузією упоперек мембрани підтримується асиметрія (анізотро-пія) розміщення молекул ліпідів та білків, певна орієнтація білків-ферментів упоперек мембрани. Це має важливе значення для напрямле-ного перенесення речовин.

• організмі хребетних, а також багатьох безхребетних тварин існу-ють базальні мембрани – стінки, навколишні групи клітин або рідше окремі клітини, які часто розміщуються між епітеліальною і сполучною тканинами в стінках кровоносних судин. Вони забезпечують механічні зв’язки між клітинами, відіграють роль фільтра, особливо в стінках кро-воносних судин, де регулюють проникнення речовин з крові в тканини. Завдяки ньому в мозок не проникає багато речовин, зокрема цілий ряд лікарських речовин.

Експериментальні дослідження показують [95], що мембрана міс-тить певні типи рухомих структурних дефектів – кінків, які є наслідком конформаційних перебудов вуглеводневих ланцюгів. Унаслідок малої величини (близько 3,5 ккал/моль) енергетичного бар’єра для обертання навколо одиничного С–С-зв’язку жирно-

ється немовби двічі переламаною. Синхронні трансгошперетворення можна подати як рух кінків уздовж ланцюга. Таким чином, наявні у вуг-

127

леводневій частині мембрани і кінки утворюють невеликі рухомі «ки-шеньки» або «бульбашки» вільного простору різного розміру молекул, що транспортуються з водної фази, можуть перейти у порожнину кінка і дифундувати через мембрану разом з рухомим кінком. Наявність у вуг-леводневих ланцюгах кінків, подвійних цисзв’язків та інших особливос-тей визначають рухливість (рідинність або плинність) ліпідного бішару за нормальних умов. При цьому площа ефективного поперечного пере-різу ланцюгів збільшується до 0,5 нм² (за повної трансконфігурації мі-німальне її значення становить 0,19 нм²).

3.4.3. Фізичний стан і фазові переходи ліпідів у мембранах

Суміші ліпідів з водою мають властивості поліморфізму. Це може бути ламелярна фаза гелю, ламелярна рідкокристалічна фаза, гексаго-нальна фаза типу II, кожна з яких буде залежати від концентрації ліпі-дів, температури, тиску, ліпідного складу, іонної сили та кислотності (рис. 3.12).

За нормальних фізіологічних умов мембрани перебувають у рідко-му стані, проте на відміну від рідин вони мають упорядковану просто-рову структуру. Завдяки таким властивостям стан мембран називається рідкокристалічним.

1. Ламелярна рідкокристалічна фаза L_α. Для цієї фази характерне впорядковане розміщення шаруватих структур за значної невпорядко-ваності ацильних ланцюгів молекул. Саме в цій фазі перебуває основна маса ліпідів у біомембранах.

2. Ламелярна гелева фаза L_β. Зі зниженням температури мембрани переходять з рідкокристалічного стану в твердокристалічний (гель-стан). За такого переходу зберігається загальна структура мембрани, але

порядок у системі ще більше зростає. Якщо в рідкому стані площа мем-брани, що припадає на одну молекулу ліпіду, становить 0,58 нм², то в гель-стані ця величина зменшується до 0,48 нм². Товщина мембрани у разі переходу в твердокристалічний стан збільшується, але за рахунок

128

зменшення площі об’єм мембрани в цілому зменшується. Молекули упаковані щільніше (на молекулу припадає менша площа поверхні), ацильні ланцюги більш упорядковані і перебувають повністю в транс-конфігурації. Щільність і товщина бішару у фазі гелю більші, ніж у рід-кокристалічній фазі (молекули максимально витягнуті).

^Lβ ^Lα H_{ІІ НІ}

а б в г

Рис.3.12. Схематичне зображення різних фаз водно-ліпідних систем:

• – ламелярна гелева фаза; б – ламелярна рідкокристалічна фаза;

• – гексагональна фаза типу II; г – гексагональна фаза типу I

2. Гексагональна фаза I (Н_І). Ліпідні молекули формують циліндро-ві структури, поверхня яких утворена полярними головками, що контак-тують з водою. При цьому циліндри паковані з утворенням гексаго-нальних ґраток.

2. Гексагональна фаза II (Н_ІІ). Ліпіди також утворюють циліндри, але полярні головки ліпідів обернені всередину циліндрів, де міститься вода. Паковання циліндрів також гексагональне.

Фазовий стан, а головне в’язкість ліпідного бішару мембран, впливає на каталітичну активність мембранних ферментів, на про-никність мембран, а отже, на процеси обміну речовин у клітинах. Чим більша рухливість молекул фосфоліпідів, тим вища в’язкість мембран і тим краща проникність для дифундувальних речовин. Під час переходу мембранного бішару в стан гелю швидкість латеральної

дифузії фосфоліпідів зменшується більш ніж на два порядки (D < 10⁴ см²/с).

Рухливість ліпідних молекул в обох фазових станах істотно різ-няться. У гель-стані ліпіди здатні здійснювати тільки сумісні коливання

129

або обертальні рухи. В рідкому стані ліпідні хвости мають набагато більшу свободу, особливо велика їх рухливість усередині мембрани.

Під час фазового переходу збільшується проникність мембрани для іонів і низькомолекулярних сполук, здатних проходити крізь такі пори. Фазовий перехід у мембранах відбувається не миттєво, а протягом де-якого температурного інтервалу. Температурою фазового переходу на-зивають температуру, за якої одна половина мембранних ліпідів пере-буває в рідкокристалічному стані, а друга – у твердокристалічному.

Таким чином, для нормального функціонування мембрана має бу-ти в рідкокристалічному стані. За досить низьких температур ліпідний бішар перебуває в квазікристалічному стані (гель-стані). У разі підви-щення температури спостерігається перехід «гель–рідкий кристал». Зміна властивостей ліпідів відбувається у вузькому температурному інтервалі, що характерний для фазового переходу, який спостерігається під час плавлення твердого тіла. Температура фазового переходу зни-жується з підвищенням ступеня ненасиченості зв’язків між вуглецеви-ми атомами вуглеводневих хвостів ліпідних молекул. Так, температура фазового переходу «гель–рідкий кристал» для мембран з ненасичених ліпідів може становити мінус 20 °С, а для насичених ліпідів – плюс 60 °С. Тому в разі тривалого зниження температури мікроорганізмів, рослинних і тваринних клітин спостерігається адаптаційна зміна хіміч-ного складу мембран для зниження температури фазового переходу. Передбачається, що на первинний механізм кріогенних руйнувань біо-мембран впливає фазовий перехід у гель-стан. Дослідження ролі холе-стеролу в біомембрані показали, що в рідкокристалічному стані суміші ліпідів холестерол обмежує конформаційну рухливість фосфоліпідних ланцюгів. У стані гелю він затруднює оптимальне паковання ланцюгів

• повну трансконфігурацію, знижуючи сили тяжіння між вуглеводне-вими ланцюгами ліпідів. У результаті суміші фосфоліпід-холестерол за впорядкованістю займають проміжне положення між станами гелів і рідкокристалічних систем чистого фосфоліпіду. Таким чином, наяв-

130

ність холестеролу може зменшувати зміни в мембрані, які супроводжу-ють фазовий перехід.

Фазові переходи типу «гель–рідкий кристал» відбуваються за тем-ператури Т_ф.п (рис. 3.13), величина якої залежить від умісту води в сис-темі.

рідкий кристал», деякі ліпіди (фосфатидна кислота, фосфотиділсерин) можуть зазнавати перетворення, що приводять до утворення гексаго-нальних структур. Підвищення температури, пониження гідратації бі-шару, збільшення ненасиченості жирнокислотних ланцюгів, висока іон-на сила за лужного рН-чинника, які сприяють утворенню в ньому гексагональних структур. Перехід окремих ділянок у гексагональну фа-зу призводить до порушення цілісності мембрани, формування каналів проникності тощо.

Живі організми, що мешкають у різних кліматичних умовах, мають різне співвідношення насичених та ненасичених зв’язків у молекулах ліпідів, що забезпечує пристосування його до холоду або жари залежно від середовища їхнього мешкання. Більш того, це співвідношення змі-нюється для різних ділянок тіла одного й того ж організму. Наприклад [21], температура ноги біля копита полярного оленя може становити мі-нус 20 °С, а температура ноги біля тулуба досягає +30 °С. Клітинні

131

мембрани не зазнають фазового переходу, оскільки мембрани клітин бі-ля копита містять більше ненасичених ліпідів, а біля тулуба – більше насичених. Відомо, що тваринні жири за кімнатної температури зазви-чай перебувають у твердому стані, а рослинні навпаки – в рідкому. Це пояснюється тим, що в тваринних клітинах менше ненасичених ліпідів, ніж у рослинних.

Одним з найпоширеніших методів вивчення фазових переходів у мембранах є метод мікрокалориметрії, який дозволяє визначити кіль-кість теплоти Q, яка була поглинена під час плавлення речовини, що мі-стить ν молів ліпідів. Знаючи Q, можна розрахувати питому ентальпію плавлення: Н = Q/.

Таким чином, плавлення речовини відбувається за такої температу-ри Т_пл, для якої енергія Гібса в твердому стані (G_тв = Н_тв – T_плS_тв) дорів-нює енергії Гібса в рідкому стані (G_р = Н_р – Т_плS_р).

Біофізика клітини вивчає фізико-хімічні основи функціювання клітини, будову й основні функції біологічних мембран (поверхневої плазматичної мембрани та мембран внутрішньоклітинних органоїдів): їх проникненості, каталітичну активність, електро- та хімозбудливість, також енергетичні процеси клітини, її механічні. Електричні властивості;

вивчення структури клітин і фізико-хімічні прояви - проникність, утворення биопотенциалов