Одним из свойств липидного бислоя является относительная подвижность (текучесть) отдельных липидных молекул и то, как эта подвижность изменяется с температурой. Этот ответ известен как фазовое поведение бислоя. В целом, при данной температуре липидный бислой может существовать либо в жидкой, либо в твердой фазе. Твердую фазу обычно называют «гелеобразной» 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 жидкофазных бислоях молекулы диффундируют.свободно в этом плане. Таким образом, в жидком бислое данный липид будет быстро обмениваться местоположениями со своим соседом миллионы раз в секунду и в процессе случайного блуждания будет мигрировать на большие расстояния. [1]
Ограничения движения
В отличие от этой большой подвижности в плоскости, липидным молекулам очень трудно перемещаться с одной стороны липидного бислоя на другую. В бислое на основе фосфатидилхолина этот процесс обычно занимает несколько недель. [2] Это несоответствие можно понять с точки зрения базовой структуры бислоя. Для того, чтобы липид переместился с одного листочка на другой, его гидратированная головная группа должна пересечь гидрофобное ядро бислоя, что является энергетически неблагоприятным процессом. В отличие от бислоев жидкой фазы, липиды в бислое гелевой фазы заблокированы на месте и не проявляют ни флип-флопа, ни латеральной подвижности. Из-за этой ограниченной подвижности гелевые бислои лишены важного свойства жидких бислоев: способности закрывать небольшие отверстия. Двухслойные слои жидкой фазы могут спонтанно залечивать небольшие пустоты, почти так же, как масляная пленка на воде может течь, чтобы заполнить зазор. Эта функциональность является одной из причин того, что клеточные мембраны обычно состоят из бислоев жидкой фазы. Ограничения движения липидов в липидных бислоях также налагаются присутствием белков в биологических мембранах, особенно в кольцевой липидной оболочке, «прикрепленной» к поверхности интегральных мембранных белков .
Физическое происхождение
Фазовое поведение липидных бислоев в значительной степени определяется силой притягивающих ван-дер-ваальсовых взаимодействий между соседними липидными молекулами. Степень этого взаимодействия, в свою очередь, определяется длиной липидных хвостов и тем, насколько хорошо они могут упаковываться вместе. Липиды с более длинными хвостами имеют большую площадь для взаимодействия, увеличивая силу этого взаимодействия и, следовательно, уменьшая подвижность липидов. Таким образом, при данной температуре липид с коротким хвостом будет более жидким, чем идентичный липид с длинным хвостом. [3] Другой способ выразить это - сказать, что температура фазового перехода геля в жидкость увеличивается с увеличением количества атомов углерода в липидных алкановых цепях. Насыщенные липиды фосфатидилхолина с хвостами длиной более 14 атомов углерода являются твердыми при комнатной температуре, а липиды с менее 14 атомами углерода - жидкими. Это явление аналогично тому факту, что парафиновый воск , состоящий из длинных алканов, является твердым при комнатной температуре, в то время как октан ( бензин ), короткий алкан, является жидким.
Помимо длины цепи, на температуру перехода также может влиять степень ненасыщенности липидных хвостов. Ненасыщенная двойная связь может вызвать перегиб в алкановой цепи, нарушив регулярную периодическую структуру. Это разрушение создает дополнительное свободное пространство внутри бислоя, что обеспечивает дополнительную гибкость соседним цепям. Именно это нарушение упаковки приводит к более низким температурам 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). Пример этого эффекта можно отметить в повседневной жизни, когда сливочное масло , которое имеет большой процент насыщенных жиров , является твердым при комнатной температуре, в то время как растительное масло , которое в основном ненасыщено, является жидким.
Длина хвоста | Двойные облигации | Температура перехода |
---|---|---|
12 | 0 | -1 |
14 | 0 | 23 |
16 | 0 | 41 год |
18 | 0 | 55 |
20 | 0 | 66 |
22 | 0 | 75 |
24 | 0 | 80 |
18 | 1 | 1 |
18 | 2 | -53 |
18 | 3 | -60 |
Смешанные системы
Бислои не обязательно должны состоять из одного типа липидов, и, фактически, большинство природных мембран представляют собой сложную смесь различных липидных молекул. Такие смеси часто обладают промежуточными свойствами по сравнению с их компонентами, 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, 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 ту или иную фазу [5] и, таким образом, локально концентрироваться или активироваться.
Холестерин
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 достаточно мал, состоящий из одной гидроксильной группы. К этой гидроксильной группе примыкает жесткая планарная структура, состоящая из нескольких конденсированных колец. На противоположном конце кольцевой конструкции находится короткий хвост с одной цепочкой. В течение десятилетий было известно, что добавление холестерина в бислой жидкой фазы снижает его проницаемость для воды. [6] [7] Совсем недавно было показано, что такое взаимодействие происходит из-за интеркаляции холестерина между молекулами липидов, заполнения свободного пространства и уменьшения гибкости окружающих липидных цепей. [8] Это взаимодействие также увеличивает механическую жесткость липидных бислоев жидкой мембраны [9] и снижает их коэффициент латеральной диффузии. [10] Напротив, добавление холестерина к бислоям гелевой фазы нарушает локальный порядок упаковки, увеличивая коэффициент диффузии [10] и уменьшая модуль упругости. Взаимодействие холестерина с многокомпонентными системами еще сложнее, так как это может привести к появлению сложных фазовых диаграмм . [11] Одна из систем липид-холестерин, которая недавно была тщательно изучена, - это липидный плот. Липидные рафты - это гелевые домены, обогащенные холестерином, которые потенциально участвуют в определенных клеточных сигнальных процессах [12], но этот предмет остается спорным, и некоторые исследователи сомневаются даже в их существовании in vivo. [13]
Полиморфизм липидов
Смешанные липидные липосомы могут претерпевать изменения в различных фазовых дисперсионных структурах, называемых липидными полиморфизмами , например сферические мицеллы , липидные двухслойные ламеллы и гексагональные фазовые цилиндры, в зависимости от физических и химических изменений в их микроокружении. [14] Температуру фазового перехода липосом и биологических мембран можно измерить с помощью калориметрии , магнитно-резонансной спектроскопии и других методов. [15]
Смотрите также
- Кольцевая липидная оболочка
- Гексагональная фаза
- Липидный бислой
- Полиморфизм липидов
- Липидомика
- Липосомы
- Текучесть мембраны
- Мембранные липиды
Рекомендации
- ^ ХК Берг, "Случайные блуждания в биологии". Расширенное издание в мягкой обложке. изд. 1993, Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.
- ^ R. Homan и HJ Pownall. "Трансбиллойная диффузия фосфолипидов: зависимость от структуры головной группы и длины ацильной цепи". Biochimica et Biophysica Acta 938. (1988) 155-166.
- ^ a b W. Rawicz, KC Olbrich, T. McIntosh, D. Needham и E. Evans. "Влияние длины цепи и ненасыщенности на эластичность липидных бислоев". Биофизический журнал. 79. (2000) 328–39.
- ^ DR Сильвий. Термотропные фазовые переходы чистых липидов в модельных мембранах и их модификации мембранными белками. John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк. (1982)
- ^ Дитрих, C .; Воловик, ЗН; Леви, М .; Томпсон, Нидерланды; Якобсон, К. (2001). «Разделение Thy-1, GM1 и сшитых аналогов фосфолипидов на липидные рафты, восстановленные в поддерживаемых модельных монослоях мембран» . Труды Национальной академии наук . 98 (19): 10642–10647. DOI : 10.1073 / pnas.191168698 . ISSN 0027-8424 . PMC 58519 . PMID 11535814 .
- ^ Corvera, E .; Mouritsen, OG; Певица, Массачусетс; Цукерманн, MJ (1992). «Проницаемость и влияние длины ацильной цепи для фосфолипидных бислоев, содержащих холестерин». Biochimica et Biophysica Acta . 1107 (2): 261–270. DOI : 10.1016 / 0005-2736 (92) 90413-г . PMID 1504071 .
- ^ Needham, D .; Нанн, RS (1990). «Упругая деформация и разрушение липидных двухслойных мембран, содержащих холестерин» . Биофизический журнал . 58 (4): 997–1009. Bibcode : 1990BpJ .... 58..997N . DOI : 10.1016 / s0006-3495 (90) 82444-9 . PMC 1281045 . PMID 2249000 .
- ^ Bhattacharya, S .; Халдар, С. (2000). «Взаимодействие между холестерином и липидами в двухслойных мембранах: роль головной группы липидов и связи углеводородной цепи с основной цепью». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1467 (1): 39–53. DOI : 10.1016 / s0005-2736 (00) 00196-6 . PMID 10930507 .
- ^ D. Boal, "Механика клетки". 2002, Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета
- ^ а б Рубинштейн, JL; Смит, BA; МакКоннелл, HM (1979). «Боковая диффузия в бинарных смесях холестерина и фосфатидилхолинов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 76 (1): 15–18. Bibcode : 1979PNAS ... 76 ... 15R . DOI : 10.1073 / pnas.76.1.15 . PMC 382866 . PMID 284326 .
- ^ Коняхина, ТМ; Ву, Дж; Мастроянни, JD; Heberle, FA; Фейгенсон, GW (сентябрь 2013 г.). «Фазовая диаграмма 4-х компонентной липидной смеси: DSPC / DOPC / POPC / chol» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1828 (9): 2204–14. DOI : 10.1016 / j.bbamem.2013.05.020 . PMC 3738200 . PMID 23747294 .
- ^ Дитрих, С .; Багатолли, Луизиана; Воловик, ЗН; Томпсон, Нидерланды; Леви, М .; Jacobson, K .; Граттон, Э. (2001). «Липидные рафты, воссозданные в модельных мембранах» . Биофизический журнал . 80 (3): 1417–1428. Bibcode : 2001BpJ .... 80.1417D . DOI : 10.1016 / s0006-3495 (01) 76114-0 . PMC 1301333 . PMID 11222302 .
- ^ Манро, С. (2003). «Липидные рафты: неуловимые или призрачные?». Cell . 115 (4): 377–388. DOI : 10.1016 / s0092-8674 (03) 00882-1 . PMID 14622593 . S2CID 14947495 .
- ^ Яшрой, RC (1994). «Дестабилизация пластинчатых дисперсий липидов тилакоидных мембран сахарозой» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Липиды и липидный метаболизм . 1212 (1): 129–133. DOI : 10.1016 / 0005-2760 (94) 90198-8 . PMID 8155722 .
- ^ Яшрой, RC (1990). «Определение температуры фазового перехода мембранных липидов по интенсивностям ЯМР 13С» . Журнал биохимических и биофизических методов . 20 (4): 353–356. DOI : 10.1016 / 0165-022x (90) 90097-V . PMID 2365951 .