Какие свойства липидов влияют на функции выполняемые мембраной

5

Лекция 3

Свойства мембранных липидов

Многообразие функций мембранных липидов.

Липидный состав различных мембран не является случайным. Любая конкретная мембрана может содержать более ста различных типов липидных молекул. Это связано, прежде всего, с тем, что липиды активно принимают участие во всех процессах протекающих в мембранах. Существует предположительно ряд основополагающих факторов, объясняющих разнообразие состава липидов в мембранах.

  1.  Смесь липидов обязательно должна быть способна образовывать стабильный бислой, в котором могли бы функционировать белки.
  2.  Некоторые липиды способствуют стабилизации сильно искривлённых участков мембраны, образованию контакта, между мембранами или связыванию определённых белков, поскольку форма этих молекул благоприятствует нужной упаковке бислоя на соответствующих участках мембраны.
  3.  Некоторые липиды являются биорегуляторами.
  4.  Некоторые липиды участвуют в реакциях биосинтеза. Например, в клетках E. coli фосфатидилглицерол поставляет глицерофосфатный фрагмент при биосинтезе периплазматических олигосахаридов.
  5.  Отдельные липиды необходимы для поддержания оптимальной активности ряда ферментов.
  6.  Ганглиозиды играют важную роль в регуляции роста клеток, являются специфическими рецепторами в плазматической мембране и ответственны за клеточную адгезию.
  7.  Специфические функции могут выполнять и другие липиды. К ним относится полиизопреноиды (долихол, убихиноны, менахиноны и каротиноиды).

Как показано экспериментально, организмы часто могут выдерживать – причём без всяких последствий – существенные изменения липидного состава мембран. Например, с помощью генетической трансформации можно получить штаммы E. coli, в мембранах которых содержатся 34% фосфатидной кислоты, обычно отсутствующей в штаммах дикого типа.

С помощью рентгеноструктурного анализа установлена с высоким разрешением пространственная структура мембранных липидов. К ним относится лизофосфотидилхолин, димиристоилфосфатидная кислота, димиристоилфосфатидилхолин, дилаурилфосфотидилэтаноламин, димиристоилфосфатидилглицерол и цереброзид.

Кристаллы этих липидов содержат очень мало воды, однако пространственная структура липидов в них оказалось подобна той, которую они имеют в полностью гидратированном состоянии. Их пространственная конфигурация полностью соответствует той конфигурации, которая характерна для бислоя.

Как уже отмечалось выше,  на бактериальную мембрану также распространяется жидко – мозаичная модель. Мембрана образована текучим компонентом – липидным бислоем. Липиды и встроенные в них белки образуют подвижную мозаику. Под жидкостным состоянием понимают способность фосфолипидных молекул к вращению и латеральному перемещению в соответствующем лепестке мембраны. В то же время липидный бислой должен быть достаточно хорошим барьером для молекул и ионов.

При понижении температуры липиды переходят в квазикристалическое состояние, когда молекулы жирных кислот плотно упакованы и неподвижны. Они вытянуты и ориентированы перпендикулярно плоскости мембраны. В этом состоянии подвижность молекул крайне ограничена, а мембрана имеет максимальную толщину и минимальную поверхность.

В состоянии жидкого кристалла молекулы жирных кислот подвижны, но ориентированы преимущественно перпендикулярно плоскости мембраны. При этом толщина мембраны уменьшается, а её поверхность увеличивается. Подвижность молекулы жирной кислоты возрастает к центру мембраны. Скорость их диффузии в мембранах in vivo точно не установлена, но считается, что в течение секунд молекула может пройти всю длину бактериальной клетки. Переход липида из одного лепестка мембраны в другой определяется как “флип – флоп”, что считается маловероятным событием, хотя он необходим для обмена липидов. Кроме того, имеются данные, свидетельствующие об участии мембранных белков в подобных переходах.

 Кристаллизация мембраны может происходить только в достаточно протяжённой области, включающей несколько молекул липидов. Температура, при которой плавятся липиды, зависит и от природы жирных кислот, и от взаимодействий соседних липидных молекул. Прямые палочковидные молекулы насыщенных жирных кислот могут быть очень тесно уложены. Температура их плавления, так же как переходная температура, повышается с увеличением длины молекулы. Наличие двойной связи резко понижает температуру плавления, так как приводит к изгибу молекулы. При этом двойная связь в цис – положении вносит большой беспорядок в укладку молекул, чем в транс – положении. В молекуле жирной кислоты атомы углерода уложены по спирали под углом 1110, в области же двойной связи угол увеличивается до 1230, а в цис – положении изменяется направление хода молекулы. Наличие одной ненасыщенной связи может понизить температуру плавления более чем на 800С. Изоразветвление цепи оказывает аналогичный эффект, при чем антеизо – больший, чем изо-.

Читайте также:  Каким свойством обладают листья вишни

Природа полярной головки липида также влияет на температуру его плавления. Кроме того, отрицательно заряженные полярные головки взаимодействуют с двухвалентными катионами, особенно с ионами Мg2+, стабилизирующими структуру липидного слоя. Липидные молекулы, тесно ассоциированные с белками мембраны, не участвуют в фазовых переходах. В реальной гетерогенной мембране при данной температуре могут быть домены, находящиеся в разных состояниях.

В активно растущих и делящихся клетках, как правило, мембраны жидкие и содержат больше липидов. Например, у микоплазм отношение липид/белок мембраны при переходе в стационарную фазу роста уменьшается в 2 – 3 раза.

При охлаждении сначала кристаллизуется часть липидов, содержащая преимущественно насыщенные жирнокислотные остатки. Большая часть белков и липиды, связанные с ними, вытесняются в более жидкие области. Фрагменты мембраны E. coli с различным соотношением белков и липидов были выделены из клеток, выращенных на среде с линоленовой кислотой (18:3). Сферопласты выдерживали при различных температурах и разрушали при помощи осмотического шока. Фрагменты мембран разделяли центрифугированием в градиенте плотности. Если лизис клеток проводили при 460С – выше верхней границы фазового перехода, то получалось одна мембранная фракция с плотностью 1,17 г/см3. Из сферопластов, разрушенных при 40С, т.е. вблизи нижней границы фазового перехода были выделены три фракции с плотностями 1,11; 1,17; и 1,23; г/см3. Первая фракция содержит очень мало белка, а последняя – самая тяжёлая, наоборот богата белком. На репликах со сколов мембран, замороженных от 460С, обнаруживаются равномерно распределённые по поверхности мембраны частицы. При замораживании от 40С в мембране гладкие участки чередуются с заполненными частицами участками. После лизиса при 40С около 70% мембранных везикул большие, диаметром 400 –600 нм, и почти совсем не содержат частиц, и около 30% везикул меньшего размера отличаются высоким содержанием частиц.

Кристаллизация липидов, так и слишком малая их вязкость отрицательно влияют на жизнеспособность клеток. Например, мутант Bacillus stearothermophilus, не способный к синтезу или удлинению насыщенных жирных кислот. Не может расти при столь же высокой температуре, при которой ещё нормально растёт дикий штамм, однако оба штамма практически одинаково растут при более низких температурах.

 У бактерий вязкость мембраны остаётся приблизительно одинаковой при различных температурах выращивания. Это достигается, прежде всего, за счёт изменения количества ненасыщенных и разветвлённых жирных кислот, входящих в её состав. Однако для нормального функционирования мембраны, по крайней мере, у E. coli, насыщенные жирные кислоты необходимы. Если их содержание падает ниже 15% от суммы жирных кислот, мембрана теряет свои барьерные свойства для малых ионов.

В принципе мононенасыщенные жирные кислоты могут быть заменены кислотами, имеющими в центральной части молекулы какую – либо группу, способную препятствовать плотной упаковке углеводородных цепей. Это могут быть кислоты с циклопропановым кольцом, разветвлённые, оксикислоты, бромированные и полиненасыщенные. Такие кислоты действительно способны поддерживать рост ауксотрофов с нарушенным синтезом ненасыщенных жирных кислот.

В обычных условиях мембрана E. coli является “излишне жидкой”, что не даёт клетке определённых преимуществ при неизменной температуре или при незначительном её понижении, но может спасти клетку при резком понижении температуры, что вполне вероятно. Аналогичным образом у  Streptococcus mutans, обитающего во рту человека, липидный состав мембраны обеспечивает рост организма и при более низкой температуре, чем температура человеческого тела.

Гомеовязкостная адаптация у бактерий может определяться различными механизмами. Жирнокислотный состав клеток Acholeplasma laidlawii, выращенной в среде без экзогенных жирных кислот, практически постоянен даже при изменениях температуры роста. В присутствии экзогенных жирных кислот изменение жирнокислотного состава мембраны обеспечивает гомеовязкостную адаптацию организма. Изменение жирнокислотного состава мембраны происходит в этом случае только за счёт различной растворимости в липидном бислое экзогенных жирных кислот. Изменяя характер жирных кислот, содержащихся в среде, можно изменить состав жирных кислот в мембране и соответственно температурные характеристики роста Acholeplasma laidlawii .

Температуры роста Acholeplasma laidlawii и фазового перехода мембранных липидов

Жирная кислота в среде

Температура роста, 0С

Температуры фазового перехода, 0С

минимальная

оптимальная

максимальная

Средняя

точка

Область

перехода

18:0

28

38

44

41

25-55

18:0 і

18

36

44

32

18-42

18:1t

10

36

44

21

5-32

18:1c

8

34

40

– 13

-22 -24

Читайте также:  Какие химические свойства стали

 Абсолютная нижняя граница роста 80С не зависит от фазового состояния липидов, так же как и абсолютная верхняя граница 440С, т.е. температурные характеристики организма зависят не только от состояния липидов в мембране. При температурах между этими крайними точками обнаруживается зависимость пределов роста от температур фазового перехода мембранных липидов. На основании этих данных видно, что если хотя бы 10% мембранных липидов находятся в жидкостно-кристаллическом состоянии, то клетка ещё способна расти.

При снижении температуры выращивания E. coli К12 наблюдается увеличение относительного содержания ненасыщенных жирных кислот в цитоплазматической мембране. У некоторых других бактерий при изменении температуры изменяется относительное количество мононенасыщенных жирных кислот. Например, Bacillus licheniformis при 200С содержит 43% ненасыщенных кислот, а при 350С – 15%.

Гомеовязкостная адаптация определяется сочетанием зависимых от температуры изменений специфичности ацилтрансфераз на уровне синтеза фосфолипидов и изменений активности систем синтеза жирных кислот, определяемых изменениями силы гидрофобных взаимодействий, которые, по крайней мере, у E. coli , выступают в роли регулятора синтеза определяемых жирных кислот.

Мембраны бактерий, выращенных при различных температурах, отличаются не только составом жирных кислот, но иногда и характером полярных липидных головок.  Протопласты, полученные из клеток Bac. Megaterium выращенных при более высокой температуре оказались более устойчивы к осмотическому шоку и менее проницаемы, чем полученные из бактерий, росших при низкой температуре.

Источник

Мембранные липиды – это амфипатические
молекулы, самопроизвольно формирующие бислои. Липиды нерастворимы в воде,
однако легко растворяются в органических растворителях. В большинстве животных
клеток они составляют около 5О% массы плазматической мембраны. В участке
липидного бислоя размером 1 х 1 мкм находится приблизительно 5 х 1ОО тыс.
молекул липидов. Следовательно плазматическая мембрана небольшой животной
клетки содержит примерно 1О липидных молекул. В клеточной мембране присутствуют
липиды трех главных типов:

1) фосфолипиды (наиболее распространенный тип);

2) холестерол и

3) гликолипиды .

Все они представляют собой
амфипатические молекулы, т.е. у них есть гидрофильный и гидрофобный концы.

Основная часть липидов
в мембранах представлена фосфолипидами, гликолипидами и холестерином.

Липиды мембран имеют в
структуре две различные части: неполярный гидрофобный “хвост” и
полярную гидрофильную “голову”. Такую двойственную природу соединений
называют амфифильной. Липиды мембран образуют двухслойную структуру. Каждый
слой состоит из сложных липидов, расположенных таким образом, что неполярные
гидрофобные “хвосты” молекул находятся в тесном контакте друг с
другом. Так же контактируют гидрофильные части молекул. Все взаимодействия
имеют нековалентный характер. Два монослоя ориентируются “хвост к
хвосту” так, что образующаяся структура двойного слоя имеет внутреннюю
неполярную часть и две полярные поверхности.

Белки мембран включены
в липидный двойной слой двумя способами:

1.    
связаны с гидрофильной поверхностью липидного бислоя – поверхностные
мембранные белки погружены в гидрофобную область бислоя – интегральные
мембранные белки;

2.    
поверхностные белки своими гидрофильными радикалами аминокислот связаны нековалентными
связями с гидрофильными группами липидного бислоя. Интегральные белки
различаются по степени погруженности в гидрофобную часть бислоя. Они могут
располагаться по обеим сторонам мембраны и либо частично погружаются в
мембрану, либо прошивают мембрану насквозь. Погруженная часть интегральных
белков содержит большое количество аминокислот с гидрофобными радикалами,
которые обеспечивают гидрофобное взаимодействие с липидами мембран. Гидрофобные
взаимодействия поддерживают определенную ориентацию белков в мембране.
Гидрофильная выступающая часть белка не может переместиться в гидрофобный слой.
Часть мембранных белков ковалентно связаны с моносахаридными остатками или
олигосахаридными цепями и представляют собой гликопротеины.

Важнейшее из свойств липидного бислоя – это текучесть .То, что отдельные молекулы липидов
способны свободно диффундировать в пределах липидного бислоя, стало впервые
известно в начале 197О-х годов. Первоначально это было показано на
искусственных липидных бислоях. Для экспериментальных исследований оказались
полезными искусственные мембраны двух типов:

1) липосомы ,
имеющие форму сферических пузырьков, диаметром от 25 до 1 мкм в зависимости от
способа их получения, и

2) плоские бислои, называемые черными мембранами ,
закрывающие отверстие в перегородке между двумя отделениями сосуда,
заполненными водой.

Читайте также:  Какие свойства воздуха использует вертолет окружающий мир 4

    Поведение липидных молекул в клеточных мембранах в
основном сходно с поведением этих молекул в искусственных бислоях: липидный
компонент биологической мембраны представляет собой двумерную жидкость, в
которой отдельные молекулы липидов быстро перемещаются, но только в пределах
своего монослоя.

    Другим фактором помимо
температуры, определяющий текучесть мембраны,
являетсяхолестерол.
О том, что определенная текучесть мембраны имеет важное биологическое значение
свидетельствует факт, что бактерии, дрожжи и другие пойкилотермные организмы
изменяют жирнокислотный состав своих плазматических мембран таким образом,
чтобы текучесть мембраны оставалась примерно постоянной.

    Текучая структура липидного
бислоя дает возможность мембранным белкам быстро диффундировать и взаимодействовать между собой,
обеспечивает простой способ распространения мембранных компонентов от мест, где
они вошли в состав бислоя после того, как были синтезированы, в другие области
клетки. Текучесть позволяет мембранам сливаться друг с другом, причем
способность к регуляции их проницаемости не утрачивается.

От Наташи:

Общие принципы организации бислоя: Неполярные хвосты направлены внутрь мембраны и
высокоупорядочены. Полярные головки расположены в плоскости мембраны и могут
образовывать водородные связи. Хвосты фосфолипидов имеют два хвоста (похоже на цилиндр).
Присутствие молекул с одним хвостом (лизолецитин), имеющих в пространстве
форму, близкую к конусу, разрушает клеточные мембраны. Фосфолипидные молекулы,
лишенные одного из хвостов, образуют поры в бислойной мембране, т.е. нарушается
барьерная функция мембран.

Ацильные цепи расположены под некоторым углом к полярным
головкам.

Микровязкость мембраны у концов
липидных хвостов меньше, чем около полярных голов, высокая подвижность липидных
молекул обусловливает латеральную
(боковую) диффузию– это хаотическое тепловое перемещение молекул липидов
и белков в плоскости мембраны. Рядом расположенные молекулы липидов скачком
меняются местами и вследствие таких последовательных перескоков из одного места
в другое молекула перемещается вдоль поверхности мембраны. Среднее квадратичное
перемещение за секунду фосфолипидной молекулы по поверхности мембраны
эритроцита – 5 мкм, что сравнимо с размерами клеток. Таким образом, за секунду
молекула может обежать всю поверхность небольшой клетки. Частота перескоков- n = 3 ´ 107 с-1. Каждая молекула, таким образом, в
среднем претерпевает десятки миллионов перестановок в плоскости мембраны за
секунду, то есть характерное время одного перескока i= 10-7 – 10-8 с.

Флип-флоп – это диффузия молекул
мембранных фосфолипидов поперек мембраны.

Перескоки молекул с одной поверхности бис-лоя на другую
совершаются значительно медленнее Т ~ 1 час.

Сочетание быстрой диффузии молекул вдоль мембраны и очень
медленной диффузии поперек мембраны имеет большое значение для функционирования
мембран, а именно для матричной функции мембраны. Благодаря затрудненному
переходу поперек мембраны поддерживается упорядоченность в молекулярной
структуре мембраны, ее анизотропия, асимметрия (относительно плоскости мембраны)
расположения липидных и белковых молекул, определенная ориентация
белков-ферментов поперек мембраны. Это имеет большое значение, например, для
направленного переноса веществ через мембрану.

Фазовые переходы липидов. Липидная
мембрана представляет собой динамическую структуру, строение бислоя может
меняться в течении жизни или при изменении физических условий. Фазовые переходы
мембраны происходят между двумя состояниями: Гель и Жидкий кристалл.

1.                    
Гель:

·                       
Все Ацильные цепи полностью имеют
транс-конформацию и вытянуты параллельно друг другу.

·                       
Толщина мембраны больше.

·                       
Площадь, приходящаяся на 1 молекулу
меньше.

·                       
Мембрана в целом более компактна.

2.                    
Жидкий Кристалл:

·                       
Часто встречаются транс-гош-переходы,
кинки.

·                       
Толщина мембраны меньше.

·                       
Площадь, приходящаяся на 1 молекулу
больше.

·                       
Упорядоченность и компактность меньше,
Энтропия системы больше.

Переход между этими двумя фазами
является переходом 1 рода.

В матриксе одной фазы может
существовать большое количество микроскопических доменов другой фазы.

Фазовые
переходы происходят при определённой температуре, зависящей от состава липидов.
от -20
°С (для мембран из ненасыщенных липидов) до +60 °С (для насыщенных липидов). Также, чем
больше ненасыщенность связей, тем меньше плотность упаковки мембраны и больше
проницаемость мембраны.

При
фазовом переходе может происходить увеличение пассивной проводимости мембраны,
связанное с образованием каналов на границе участков мембраны, имеющих разное
фазовое состояние. Этот процесс лежит в основе терморецепции и хеморецепции.

Источник