Физическое состояние и фазовые переходы липидов

Вещество при разных температурах, давлениях, концентрациях химических компонентов может находиться в различных физических состояниях - газообразном, жидком, твердом, плазменном.

Липидные бислойные мембраны при физиологических условиях - жидкие, время оседлой жизни фосфолипидных молекул в мембране мало: т= 10 7 — 10'8с.

Вместе с тем молекулы в мембране размещены не беспорядочно, в их расположении наблюдается дальний порядок. Фосфолипидные молекулы находятся в двойном слое, а их гидрофобные хвосты приблизительно параллельны друг другу. Есть порядок и в ориентации полярных гидрофильных голов.

Физическое состояние, при котором есть дальний порядок во взаимной ориентации и расположении молекул, но агрегатное состояние жидкое, называется жидкокристаллическим состоянием.

смектическая

холестическая

аморфная фаза

a

нематическая

фаза

фаза zz/>^^# zzz/-^#^

zzrzzrr zz/^rr

zzr^rzz /////// zzrzzzz

фаза

АишпУ

Рис. 1.4. Расположение молекул в аморфном (а) и жидкокристаллическом состояниях (б, в, г)

Жидкие кристаллы могут образовываться не во всех веществах, а в веществах из «длинных молекул» (поперечные размеры которых меньше продольных). Могут быть различные жидкокристаллические структуры (рис. 1.4, б, в, г):

нематическая (нитевидная) - когда длинные молекулы ориентированы параллельно друг другу;

  • - смектическая (мылообразная) - молекулы параллельны друг другу и располагаются слоями;
  • - холестическая - молекулы располагаются параллельно друг другу в одной плоскости, но в разных плоскостях ориентации молекул разные (повернуты на некоторый угол в одной плоскости относительно другой).

Бислойная липидная фаза биологических мембран соответствует смектическому жидкокристаллическому состоянию.

Жидкокристаллические структуры очень чувствительны к изменению температуры, давления, химического состава, электрическому полю. Это определяет динамичность липидных бислойных мембран - изменение их структуры при различных, даже небольших изменениях внешних условий или химического состава. При изменении условий вещество может перейти в другое фазовое состояние (например, из газообразного в жидкое, из жидкого в твердое, из одной кристаллической модификации в другую). Как показано физическими методами исследования (методом рентгеноструктурного анализа, калориметрией, дилатометрией и др.) липидная часть биологических мембран при определенных температурах испытывает фазовый переход первого рода. Согласно данным, в фосфолипидной мембране при понижении температуры происходит переход из жидкокристаллического в гель состояние, которое условно называют твердокристаллическим (рис. 1.5).

В гель - состоянии молекулы расположены еще более упорядочено, чем в жидкокристаллическом. Все гидрофобные углеводородные хвосты фосфолипидных молекул в гель - фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу (имеют полностью транс - конформацию). В жидком кристалле за счет теплового движения возможны транс - гош - переходы, хвосты молекул изгибаются, их параллельность друг другу в отдельных местах нарушается, особенно сильно в середине мембраны.

Толщина мембраны в гель - фазе поэтому больше, чем в жидком кристалле (см. рис. 1.5). Однако при переходе из твердого в жидкокристаллическое состояние объем несколько увеличивается, потому что значительно увеличивается площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулу (от 0,48 нм2 до 0,58 нм2). Так как в твердокристаллическом больше порядок, чем в жидком кристалле, ему соответствует меньшая энтропия.

||»

X

?

> ft1

II-AAA АЛ,

N

*

___1

||-YYYY_r

гель

жидкий кристалл

повышение температуры

Рис. 1.5. Изменение структуры мембраны при переходе из жидкокристаллического в гель-состояние и обратно при изменении температуры

Для нормального функционирования мембрана должна быть в жидкокристаллическом состоянии. Поэтому в живых системах при продолжительном понижении температуры окружающей среды наблюдается адаптационное изменение химического состава мембран, обеспечивающее понижение температуры фазового перехода.

Температура фазового перехода понижается при увеличении числа ненасыщенных связей в жирно-кислотных хвостах. В хвосте молекулы может быть до четырех ненасыщенных связей.

В зависимости от химического состава липидных мембран температуры фазового перехода гель - жидкий кристалл может меняться от -20°С (для мембраны из ненасыщенных липидов) до +60°С (для насыщенных молекул).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >