ФЛ характеризуются тем, что насыщенные ЖК чаще занимают позицию при sn-1, а НЖК — при sn-2 молекулы глицерола. ПНЖК С20:4 и С22:6 встречаются почти исключительно в позиции sn-2. Вследствие того, что ПНЖК сильно изогнуты, они придают мембранам гибкость и подвижность. Благодаря этому ПНЖК балансируют «жесткие» свойства тех липидов, которые образуют мембрану и содержат ненасыщенные и малонасыщенные ЖК, т.е. обладают сильными ван-дер-ваальсовыми связями, а также образуют специфические домены на поверхности мембраны, так называемые плоты (rafts).
Плоты обычно состоят из белков и липидов, которые имеют более высокую температуру плавления, чем окружающие ФЛ, поэтому они плавают как куски льда или плоты на воде. Плоты позволяют встроенным в них большим белкам и комплексам белков сохранять свои структуры и при этом передвигаться в плоскости мембраны, что важно для образования функциональных суперкомплексов, вроде респиросомы. Кроме того, мембраны должны быть непроницаемыми для катионов и анионов, что позволяет образовать градиенты катионов и протонов для выполнения многих функций.
Поскольку ФЛ (например, ФХ) в разных мембранах одной клетки и разных органах могут иметь разные по длине и насыщенности ЖК, каждый из типов ФЛ не является одним соединением с жесткими свойствами, а, скорее, группой соединений, имеющих сходные свойства несущей заряды «голове», но с вариациями липидной части (Holub, Kuksis, 1969). Поэтому правильнее называть ФЛ по их головной группе: фосфатидилхолины, фосфатидилэтаноламины и т.д.
Нужно также помнить, что биологические мембраны обычно содержат от 5 до 10 основных классов ФЛ, которые необходимы для выполнения каких-то специфических функций, таких как сигнальные функции, слияние (fusion), разделение (fission) и др. (van Meer, de Kroon, 2011).
По своему опыту знаю, что многие понятия физической химии, полученные в студенчестве, забываются. Чтобы было более понятно, каким образом структура ФЛ отражается на их многочисленных функциях, не будет лишним вспомнить некоторые физико-химические свойства липидных мембран и узнать, что нового было открыто.
Фазовые переходы липидных мембран
Для удобства математических расчетов фазовым состояниям помимо названия приписывают также буквенные обозначения (например, L — от англ. liquid, т.е. «жидкий»).
Lα — жидкокристаллическая фаза. В этой фазе молекулы ФЛ находятся в неорганизованном состоянии и имеют относительно большую степень свободы перемещений по поверхности мембраны. Мембраны в жидкой неорганизованной фазе характеризуются нерегулярной упаковкой молекул ФЛ, а также присутствием загибов в НЖК. Эти загибы и перегибы (kinks) значительно уменьшают поверхность взаимодействий между соседними ЖК. В результате ван-дер-ваальсовы взаимодействия сильно ослабляются, и мембрана «разжижается». Жидкие кристаллы могут образовываться не во всех веществах, а только в веществах из так называемых длинных молекул (поперечные размеры таких молекул намного меньше продольных). Жидкокристаллические структуры могут быть различными: нематическая (нитевидная) — длинные молекулы ориентированы параллельно друг другу; смектическая (мылообразная) — молекулы параллельны друг другу и располагаются слоями; холестерическая — молекулы располагаются параллельно друг другу в одной плоскости, но в разных участках ориентации молекул разные (повернуты на некоторый угол в одной плоскости относительно другой). Бислойная липидная фаза биологических мембран соответствует смектическому жидкокристаллическому состоянию.
Для нормального функционирования мембрана должна быть в жидкокристаллическом состоянии, поэтому в живых системах при продолжительном понижении температуры окружающей среды наблюдаются адаптивные изменения химического состава мембран, обеспечивающие понижение температуры фазового перехода.
Чем больше двойных связей в ЖК ФЛ, тем шире «юбка». В результате температура фазового перехода понижается при увеличении числа ненасыщенных связей в жирнокислотных хвостах, поэтому повышенное содержание ПНЖК — АК (20:4) и ДГК (22:6) — наблюдается у рыб и криля, живущих в холодной воде Антарктики и Арктики. Температура плавления этих ПНЖК ниже –40 °С. В воде при t около +4 °С мембраны из более насыщенных ЖК были бы твердыми.
Lβ — фаза геля. При температурах ниже Tm (Tm — melting temperature = t плавления) мембрана переходит в состояние геля (почти твердое). ЖК с загибами часто подвергаются трансизомеризации, что позволяет углеводородным цепочкам растягиваться и усиливать ван-дер-ваальсовые взаимодействия, которые мешают латеральным движениям молекул по поверхности. При понижении температуры колебания ЖК снижаются, и липидная мембрана переходит из состояния Lα в состояние Lβ — становится гелеобразной. Толщина мембраны в гель-фазе больше, чем в жидком кристалле. Однако при переходе из твердого в жидкокристаллическое состояние объем несколько увеличивается, потому что значительно увеличивается площадь мембраны. В твердом кристаллическом состоянии больше порядка, чем в жидком кристалле, и ему соответствует меньшая энтропия.
&hide_Cookie=yes)
Рис. 13.1. Состояние вещества в разном агрегатном состоянии при повышении температуры
LО — жидкая организованная фаза. Эта фаза по своему состоянию представляет что-то среднее между Lα- и Lβ-фазами. Состояние липидной мембраны наблюдается, когда в жидкокристаллическую мембрану встраивается много молекул холестерола. Маленькие молекулы холестерола связывают ЖК подобно скрепкам, и мембрана становится «полужидкой» при нормальной температуре (25 °С). Мембраны митохондрий в норме не содержат (почти) холестерол, в отличие от цитоплазматической мембраны, поэтому остаются «жидкими». Тем более, что температура на поверхности ВММ может быть 40–50 °С. По этой причине в пожилом возрасте вредно иметь высокое содержание «холестерина» крови — нарушается работа мембран клеток эпителия сосудов, и в них появляются «бляшки» холестерола.
LС — псевдокристаллическое состояние. Это состояние наблюдается при низких температурах, когда взаимодействия фосфолипидных головок становятся очень прочными. В живых организмах такое вряд ли происходит из-за температуры. Однако в некоторых мембранах при большом количестве белков, встроенных в мембрану, могут усиливаться белково-липидные взаимодействия, а также связи между белками. Это приводит к большей организации мембран и способствует созданию полиферментных комплексов.