ФОСФОЛИПИДЫ КАК СТРУКТУРНАЯ ОСНОВА БИСЛОЯ

Биомембранология Болдырев А.А., Кяйвяряйнен Е.И., Илюха В.А.

Классификация мембранных липидов показывает, что этот класс объединяет соединения, которые построены по единому плану, их стереоконфигурация имеет общие черты. По этой причине, оказавшись в водном растворе, фосфолипиды ведут себя сходным образом: проявляют стремление создать ансамбли из множества молекул липидов. Тем не менее, липиды плохо растворяются как в полярном растворителе – воде (мешают неполярные хвосты), так и в неполярной среде – масле (мешают полярные головки). Самое энергетически выгодное для них расположение – мономолекулярный слой на поверхности раздела между водой и маслом, в этом случае их хвосты погружены в масло (рис. 14).

Чтобы подчеркнуть различное отношение к воде и к маслу, головки называют гидрофильными, а хвосты – липофильными. Соответственно липиды, молекулы которых содержат как гидрофильную, так и липофильную группировку, называют амфифильными веществами (или амфипатическими). Рассмотрим поведение липидов в воде. Строение липидных агрегатов в воде может быть чрезвычайно разнообразным. Оно зависит не только от природы самого липида, но и от его концентрации, температуры и присутствия других веществ. Большинство липидов плохо растворимы в воде. Как строение липидных образований зависит от концентрации 36 липидов?

 

Липиды лишь при очень большом разбавлении находятся в воде в виде отдельных, не связанных между собой молекул. Даже при небольшом повышении концентрации липида его молекулы объединяются в замкнутые агрегаты, так называемые мицеллы. Эту концентрацию называют критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). Для большинства мембранных липидов она составляет меньше 1% (рис. 14). При увеличении концентрации липида в воде и при понижении температуры количество таких мицелл растет. В разбавленных водных растворах образуются преимущественно шарообразные мицеллы — микроскопические капельки, у которых полярные головки обращены наружу, а неполярные хвосты обращены внутрь. В масле происходит аналогичный процесс, но тут мицеллы оказываются как бы вывернутыми наизнанку (рис. 14). Если еще более увеличить концентрацию липидов в воде, произойдет дальнейшее изменение структуры липидных ансамблей.

При относительно малом содержании воды фосфолипиды могут образовывать несколько типов жидкокристаллических структур (рис. 15). Среди них имеется ламеллярная (слоистая) структура, состоящая из чередующихся липидных бимолекулярных слоев и водных промежутков, а также цилиндрические структуры из молекул липидов, расположенных в водной фазе. Одна структура может переходить в другую при изменении концентрации воды и температуры. Часто липиды образуют агрегаты различных типов одновременно, причем они могут переходить друг в друга. Такое поведение называют «мезоморфизмом». Если переход одних агрегатов в другие зависит от содержания воды, говорят о «лиотропном мезоморфизме». Когда он осуществляется под влиянием изменения температуры – о «термотропном мезоморфизме». Такие фазовые переходы возможны и в биологических мембранах, они играют большую роль в жизни клеток.

Если концентрация липидов в воде высока, то мицеллы сливаются и образуются плоские бимолекулярные слои (рис. 16), являющиеся аналогами структуры мембранного липидного бислоя.

 

Наличие у молекул липидов двух частей – сильно полярной (головки) и неполярной (хвостов) имеет прямое отношение к их способности самопроизвольно образовывать мембраны — происходит так называемая самосборка мембранного бислоя. В бислойных структурах полярные «головы» обращены к воде, а гидрофобные хвосты ориентированы внутрь бислоя. Как искусственные, так и естественные мембраны всегда замкнуты сами на себя, образуя полые вакуоли, пузырьки, везикулы, плоские замкнутые мешки или трубчатые образования.

 

Природные фосфолипиды – выраженные амфифилы. Величина ККМ для них очень мала. Другими словами, уже при низких концентрациях при комнатной температуре они образуют упорядоченные мицеллы, сливающиеся при повышении концентрации фосфолипида в однослойные или многослойные агрегаты, которые называют липосомами.

Какие силы заставляют липиды объединяться в агрегаты, состоящие из многих молекул? Бислойная структура стабилизируется гидрофобными взаимодействиями в области ацильных цепей и полярными взаимодействиями на границе раздела водной и липидной фаз. В основе полярных взаимодействий действуют ионные, диполь-дипольные, водородные и вандерваальсовы связи. Все они являются слабыми. Важная роль слабых взаимодействий в стабилизации бислоя объясняется их высокой плотностью. Не менее важна роль и гидрофобных взаимодействий. Так как термодинамически невыгодно неполярным хвостам липидов взаимодействовать с упорядоченной структурой воды (которая стабилизирована водородными связями), липиды стремятся избежать взаимодействия с водой и объединяются в агрегаты. Такое взаимодействие между липидами, вызывающее их «неприязнь» к воде, называют гидрофобным взаимодействием. Гидрофобные силы определяют как «способность аполярных групп к тесному контакту в водных средах, которое обеспечивает вытеснение воды из образуемых агрегатов».

Мы говорили о поведении липидов в чистой воде. Но жизнь клеток проходит не в дистиллированной воле, а в растворах, содержащих те или иные соли. Поэтому необходимо рассмотреть влияние солей на липидные агрегаты. Липидная мицелла с суммарным отрицательным зарядом будет не безразлична к солевому составу окружающей ее среды. На поверхности раздела между водой и липидом создается разность потенциалов. Если к водной среде добавить поваренную соль (хлористый натрий), то положительно заряженные ионы натрия (Na+) будут связываться поверхностью мембраны, а отрицательно заряженные ионы хлора (Cl-) – отталкиваться в водную фазу. Обычно приповерхностную область разделяют на 2 части – ближайшую к поверхности липида, в которой ионы натрия стабилизированы (там концентрация ионов больше, – сольватация) и внешнюю, диффузную часть, в которой ионы передвигаются более свободно.

Как известно, в воде присутствуют в очень малой степени положительные ионы водорода и отрицательно заряженные гидроксильные группы. Ионы водорода притягиваются отрицательно заряженной поверхностью мицеллы, а гидроксильные группы – отталкиваются в водную фазу. Поэтому кислотность среды вблизи поверхности мицелл отличается от кислотности водного раствора. И по своим физическим свойствам вода вблизи поверхности мицеллы заметно отличается от обыкновенной воды, например, она не замерзает при 0ºС. Таким образом, у поверхности липидов в воде существенно меняются концентрация солей, физические свойства и кислотность среды.

Форма и размеры образуемых липидных ассоциатов зависят от многих факторов:

• от длины ацильных цепей фосфолипидов,
• от жирнокислотного состава фосфолипидов
• от степени ненасыщенности ацильных цепей фосфолипидов,
• от структуры полярной части молекул фосфолипидов.

Рассмотрим перечисленные факторы.

1) Упаковка жирнокислотных цепей в мицеллах зависит от длины углеводородной цепи. При малых значениях n (до 16) количество молекул, необходимых для формирования мицеллы, таково, что в ее объеме жирнокислотные цепи располагаются достаточно свободно. Структурную стабильность таких мицелл поддерживают полярные связи. При возрастании длины жирнокислотной цепи плотность упаковки в мицеллах увеличивается быстрее, чем их размер, и внутреннее содержимое мицелл становится более компактным благодаря усилению связей между гидрофобными цепями. Гидрофобные взаимодействия зависят от степени контакта между ацильными цепями – эффективность этих взаимодействий обратно пропорциональна подвижности цепей. Один из важных факторов, регулирующих подвижность,– наличие двойных связей в цепи.

2) Подавляющее большинство природных жирных кислот содержит четное количество атомов углерода. Ранее это связывали с удобствами превращения этих соединений в процессе окисления. Затем было показано, что жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода в цепи также подвергаются окислительным превращениям. Но обращает на себя внимание разная стабильность мицелл, образуемых жирными кислотами с четным и нечетным числом атомов углерода. Об этом говорит величина энергии, которую необходимо сообщить структуре для перевода ее из кристаллического в жидкое состояние. Из таблицы 5 видно, что изменение энтальпии для жирных кислот с четным количеством атомов углерода выше, т.е. образуемые ими ассоциаты структурно стабильнее.

3) Углеводородные цепи липидных молекул бывают двух видов: насыщенные и ненасыщенные, причем у ненасыщенных цепей может быть одна или несколько двойных связей. Если пленка состоит из смеси насыщенных и ненасыщенных фосфолипидов, то в месте расположения двойных связей нарушится порядок, так как не будет соблюдаться строго параллельное расположение цепей. Поэтому пленки из смеси липидов, содержащих как насыщенные, так и ненасыщенные цепи при той же температуре являются более жидкими, чем пленки, построенные из липидов, содержащих только насыщенные цепи. Это явление имеет огромное значение для нормальной работы биологических мембран в живой клетке. Для того, чтобы клетка могла проявлять процессы жизнедеятельности, липиды, входящие в состав ее мембран, обязательно должны находиться в состоянии «жидкой» пленки. Только в этом состоянии может быть обеспечено правильное функционирование мембранных белков и нормальное прохождение различных веществ через мембрану. Было, например, показано, что при замене ненасыщенных липидов на насыщенные в мембранах бактерий скорость прохождения веществ через мембрану падает в 20 раз.

Таблица 1. Зависимость температуры плавления и энтальпии фазового перехода жирных кислот от длины их углеродной цепи

Понятно поэтому, что клетки очень чутко реагируют на изменение температуры, стремясь к тому, чтобы их мембрана постоянно оставалась в «жидком» состоянии. Как только снижается температура окружающей среды, бактерии заменяют насыщенные липиды в своих мембранах на ненасыщенные. Так же ведут себя и клетки растений. Организм человека и теплокровных животных обеспечивает жидкое состояние своих клеточных мембран, поддерживая строго постоянную температуру тела. У некоторых животных это свойство принимает причудливые формы. Например, в ногах пингвина и северного оленя температура падает по мере удаления от корпуса, соответственно мембраны клеток в этих тканях все более обогащаются ненасыщеными жирными кислотами.

4) Способность липидов к самоорганизации (самосборке) зависит, конечно, не только от их углеводородных цепей, но и от природы полярных головок. Головки несут либо отрицательный заряд, либо одновременно отрицательный и положительный заряды, нейтрализующие друг друга. Именно последний тип липидов (нейтральные) преобладает в большинстве клеточных мембран. Это не случайно. Липидам с отрицательно заряженными головками трудно объединяться в агрегаты, так как между головками действуют электростатические силы отталкивания. В случае электронейтральных полярных головок липидные молекулы могут быть упакованы так, чтобы полностью реализовалась выгода гидрофобного взаимодействия неполярных цепей. В зависимости от размеров полярных областей фосфолипидов возникает асимметрия мембранного бислоя, что является важной особенностью мембран.