Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 7.
Липиды и мембраны.
Рассмотрев несколько функций белков, а именно их ферментативную, структурную и частично транспортную функцию (на примере гемоглобина) мы сталкиваемся с необходимостью познакомиться с другими биологическими субстанциями. Мы еще не раз вернемся к белкам, без этого нельзя, они участвуют практически во всех биологических процессах. Но для их понимания нам потребуется нечто большее.
Вот теперь мы доходим до начала опровержения слов Энгельса о том, что жизнь есть форма существования белковых тел. Почему? Потому что единица жизни в ее современном виде, как мы договорились это клетка. А клетка не может существовать без мембраны. Итак наша сегодняшняя тема – это биологические мембраны и в общих чертах всё, что с ними связано. Своим существованием клетки обязаны мембранам. Считается, что первая клетка появилась в тот момент, когда появилась первая мембрана, отделившая драгоценное внутреннее содержание клетки от остального мира. Кто создал первую мембрану? Никто, она сама образовалась в результате процесса самоорганизации. Клеточная мембрана (плазматическая мембрана) есть у каждой клетки, она определяет внешнюю границу клетки и обеспечивает сообщение с внешней средой на молекулярном уровне. Биологические функции мембран вытекают из их уникальных физических свойств, которые в свою очередь определяются их структурой и составом. Поэтому давайте обратимся к химическому составу и структуре мембран. Пойдём, как обычно, от химического строения к структуре и функции.
Основу мембран составляют липиды. Что это за соединения? Это довольно разнообразная группа химических соединений, общим свойством которых является нерастворимость в воде. Их биологические функции весьма разнообразны. В основном это запасание энергии, образование мембран и регуляторная функция.
Запасные липиды.
К ним относятся жиры и масла, используемые в этом качестве практически повсеместно. Это сильно восстановленные соединения, производные жирных кислот. Жирные кислоты это производные углеводородов. Они содержат карбоксильную группу, (что и делает их кислотами), и длинный углеводородный хвост. Мы уже знакомы с уксусной кислотой. Если ей удлинить хвост, сделав вместо одной метильной группы хотя бы 11 групп, чтобы всего было 12 С, получится лавровая кислота. Жирные кислоты содержат от 12 до 24 атомов углерода. Хвосты могут содержать и двойные связи, как у непредельных углеводородов. В номенклатуре обозначают общее число атомов С, после двоеточия количество двойных связей, и в скобках в качестве верхнего индекса при символе дельта указывают их положение. Практически у всех встречающихся в природе жирных кислот двойные связи находятся в цис-конфигурации, что создает излом цепей. Все они, благодаря этим хвостам плохо растворимы в воде. Чем длиннее цепь, и чем меньше в ней двойных связей, тем хуже растворимость в воде. Структурой углеводородного хвоста жирные кислоты напоминают нефть. Так же как и при сжигании топлива, полном при окислении жирных кислот (а точнее хвостов) до углекислого газа и воды выделяется огромное количество энергии.
Простейшие липиды, которые можно сконструировать из жирных кислот, это триацилглицеролы, или попросту натуральные жиры. Возьмем трехатомный спирт глицерин и к каждой ОН-группе привесим по жирной кислоте. Получится жир, еще более нерастворимый в воде, чем жирные кислоты. Физические свойства жиров, а именно температура плавления и, соответственно, текучесть при комнатной температуре определяются составом жирных кислот, из которых они образованы. Температура плавления жиров и жирных кислот сильно зависит от длины хвоста и степени насыщенности (количества двойных связей). При комнатной температуре насыщенные кислоты имеют консистенцию воска, а ненасыщенные – жидкого масла. Сравните сливочное масло или говяжий жир и растительное масло. В растительных маслах содержатся в основном ненасыщенные жиры, в животных – насыщенные. В молекулах насыщенных кислот все связи одиночные и вокруг них возможно свободное вращение, что обеспечивает молекуле огромный выбор конформаций. Самой устойчивой, однако, является вытянутая конформация. Такие молекулы могут образовывать почти кристаллические агрегаты с плотной упаковкой, в которых между всеми атомами соседних молекул существует ван-дер-Ваальсово взаимодействие. Молекулы непредельных кислот, имеют кинки, которые мешают плотной упаковке, в результате чего взаимодействие между ними оказывается слабее. Так как на разрушение таких слабо упорядоченных образований требуется гораздо меньше тепловой энергии, температура плавления оказывается ниже. Жирные кислоты находятся в основном в составе липидов. Они могут циркулировать в крови связанные с белковым носителем, сывороточным альбумином.
Как хранятся жиры в клетках, если они не растворимы в воде? Они образуют отдельную фазу, микроскопические масляные капельки, являющиеся хранилищами топлива. У позвоночных есть для этого специализированные клетки, жировые клетки, называемые адипоцитами, они почти полностью заполнены жиром. Растения запасают жиры в основном в семенах. В качестве формы запасания энергии жиры имеют некоторые преимущества перед другими формами (белками и полисахаридами). Атомы С в жирах более восстановлены, чем в сахарах, поэтому на единицу веса приходится вдвое больше энергии. Медведи во время спячки используют запасы жира. Во-вторых, в силу гидрофобности жиры не требуют дополнительного запаса воды, которая нужна для гидратации полисахаридов. Зато полисахариды можно использовать быстро, а жиры являются долгосрочным запасом. Другая функция жировых запасов – теплоизоляция. Самая интересная функция запасных липидов встречается у спермацетовых китов. Спермацетовый мешок заполнен смесью липидов с различной температурой плавления. Кристаллизация их начинается при 31 С. Спермацетовым китам надо глубоко нырять, на глубину до 3 км. Там они затаиваются и ждут, когда подплывет стая рачков. Чтобы оставаться на такой глубине без усилия, надо иметь плотность, равную плотности окружающей воды. Кит умеет регулировать свою плавучесть. Когда при нырянии температура воды падает на несколько градусов, и плотность воды увеличивается, липиды начинают потихоньку кристаллизоваться и, следовательно, уплотняться. Для быстрого охлаждения липидов есть несколько физиологических механизмов. При возвращении на поверхность всё происходит в обратном порядке.
Если полить щелочь на жир, он гидролизуется до солей жирных кислот и получится мыло. В мягкой воде соли диссоциируют и солюбилизируют нерастворимые вещества. В жесткой воде, содержащей двухвалентные катионы, мыла образуют нерастворимые соли и не работают.
Жиры можно расщепить на глицерин и кислоты ферментативным способом, с помощью липаз.
Воска – эфиры насыщенных и ненасыщенных жирных кислот (14-36 атомов) и одноатомных спиртов с длинными хвостами (16-30) атомов. Воска служат не только запасами энергии, но и придают поверхностям водоотталкивающие свойства. Перья водоплавающих птиц покрыты воском. Листья тропических растений покрыта воском, защищающим от паразитов и от излишнего испарения.
Структурные липиды мембран.
Основным архитектурным компонентом биологических мембран служит липидный бислой. Каковы должны быть липиды, чтобы образовать бислой или вообще как-то самоорганизоваться? Они должны быть амфипатическими соединениями, т.е. содержать полярные и неполярные участки. Т.е. липиды мембран должны иметь полярные головы. Их можно поделить на фосфолипиды и гликолипиды. Фосфолипиды могут быть построены на основе глицерина или на основе сфингозина. Глицерофосфолипиды похожи на жиры, только вместо одной жирной кислоты содержится остаток фософрной кислоты, связанной со спиртом. Сюда относится фосфатидная кислота, фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилинозитол, кардиолипин. При нейтральном рН заряд либо отрицательный, либо нейтральный. Жирные кислоты могут быть самые разные. Сфинголипиды вместо глицерина содержат аминоспирт сфингозин, длинный углеводородный хвост которого заменяет одну из кислот. Если вместо «третьей» кислоты взять то же что и фосфатидилхолина или фосфатидилэтаноламина, будут сфингомиелины. Их тоже относят к фосфолипидам. Если там ничего нет (только Н) это керамиды. Там также могут быть олигосахариды, тогда они называются глико(сфинго)липидами. Фосфолипазы отщепляют хвосты фосфолипидам. Есть еще один класс липидов, встречающийся в мембранах. Это стерины. Их характерной особенностью является стероидное ядро, состоящее из нескольких сопряженных циклов. Оно почти плоское и довольно жесткое, циклы исключают возможность вращения. Самый известный из них – холестерин. Помимо ядра он содержит боковую цепь и полярную голову, состоящую из ОН-группы. У бактерий стеринов почти нет.
Давайте рассмотрим, почему нужны полярные головы. Возьмем, к примеру, жиры. Попробуем смешать их с водой. Они не смешиваются с водой и образуют отдельную фазу, отдельные частички. Является ли это самоорганизацией? Нет, потому что частички будут полидисперсными, и со временем, если систему не взбалтывать, превратятся в одну непрерывную фазу, которая из-за меньшей плотности окажется наверху. Так происходит с французским салатным соусом, состоящим из смеси сахара, масла и уксуса. Теперь возьмем полярный липид или детергент, т.е. любую амфипатическую молекулу и поместим ее в воду. Что она будет делать? Полярная часть будет стремиться к контакту с водой, а неполярная – к контакту с воздухом или с неполярным растворителем. Но разорваться нельзя, химические связи не позволяют. Что же делать? Выход есть, можно попасть на границу раздела вода-воздух или вода-масло. Предоставим ей такую возможность. Тогда она ориентируется там определенным образом, чтобы хвост был в воздухе (или масло), а голова в воде. Если у нас достаточно молекул, вся граница между фазами будет покрыта такими молекулами, и контакта между фазами практически не будет. Отсюда вещества, обладающие такими свойствами, получили название поверхностно активных веществ (ПАВ) или серфактантов. Вернемся к французскому соусу и зададимся вопросом, почему такое же явление не происходит с майонезом, ведь там то же масло и уксус? Секрет майонеза в наличии в нём небольшого количества яйца, или точнее, яичного порошка. В яйце содержится лецитин, а именно липид. Он служит здесь ПАВ, окружая капельки масла и стабилизируя их. Получается эмульсия, где минимизирована не только поверхностная энергия вода-масло, но и свободная энергия самих молекул. Но это еще не самоорганизация, частички эмульсии по-прежнему полидисперсны.
Теперь предположим, что границы раздела нет. Если она и есть (поверхность пробирки), ее на всех не хватит, потому что для покрытия довольно большой площади достаточно очень небольшого количества ПАВ. Что будут делать липиды, раз они не растворимы в воде? При смешивании с водой амфипатические липиды агрегируют, так чтобы уменьшить плотность контакта с водой. Они образуют кластеры так, чтобы гидрофобные части контачили друг с другом, а полярные могли образовать водородные связи с водой. Агрегаты могут быть разными в зависимости от типа липида и условий. Сферические мицеллы образуются из соединений, у которых площадь сечения гидрофобной части меньше, чем гидрофильной. А точнее, объем, занимаемый хвостом должен согласовываться с площадь поверхности головы. V(tail)N=4/3 pi r 3, S(head)N=4pi r 2. Это реализуется, грубо говоря, там, где один хвост, например, свободные жирные кислоты, фосфолипиды, у которых отщеплен один хвост или детергент SDS. Что интересно, что мицеллы будут иметь характерный размер, определяемый геометрией молекул. Мицеллы образуются спонтанно, когда концентрация ПАВ превышает критическую концентрацию мицеллообразования. Напомним, это та концентрация, при которой половина всех молекул свободна, а половина находится в составе мицелл.
Нужные геометрические соотношения реализуются не для всех молекул. Какой выход? Например, образовать бислой. Если сечения примерно одинаковые (у тех, у кого два хвоста), будет образовываться бислой. Полярные головы контачат с водой, гидрофобные части – друг с другом. Образование бислоя из двуххвостовых липидов еще более выгодно, чем образование мицелл из однохвостовых. Почему? Потому что контакт с водой двух цепей в два раза более невыгоден, чем контакт одной цепи. Разница в энергиях входит в константу равновесия в экспонентциальной зависимости K=exp(-E/kT), т.е. разница уже не в два раза, а в е-квадрат раз. Бислои не распадаются даже в средах с очень низкой концентрацией свободных липидов.
Третий тип агрегатов – липосомы (или везикулы) образуется, когда бислой замыкается в полую сферу. При образовании везикул гидрофобные края замыкаются друг на друга, и достигается максимальная стабильность в водном окружении. Внутри такой сферы заключена вода. Получается компартмент, отделенный от внешней среды. Размеры таких бислойных везикул практически не ограничены. Ничего не стоит получить везикулы размером до 10 мкм, что соответствует размерам клеток. Туда входят десятки миллионов отдельных молекул. Видимо, так и возникла первая клетка.
Толщина бислоя ничтожна по сравнению с его поперечными размерами. Такую систему можно считать двумерной, а именно, двумерной жидкостью. Толщина ограничена геометрией липидных молекул. В свою очередь толщина напрямую определяет проницаемость бислоя, его электростатическую емкость и механические свойства.
Липидный бислой непроницаем для ионов. Зато он проницаем для воды и для «жирных» молекул.
Хотя липидный бислой в целом стабилен, отдельные молекулы липидов там очень подвижны в плоскости слоя. Их не связывают друг с другом никакие химические связи, их объединяет только «нелюбовь» к воде. Латеральная диффузия происходит очень быстро. Жидкое состояние позволяет клеткам легко изменять свою форму.
Внутри слоя тоже жидкость. Отдельные цепи липидов очень подвижны. Степень подвижности зависит от температуры и липидного состава. При низкой температуре бислой находится в почти кристаллическом (твердом) состоянии. При прохождении температуры фазового перехода он переходит в жидкое состояние. Температура перехода зависит от состава мембран. Чем больше там насыщенных «хвостов», тем выше точка плавления. Особенное место в этом процессе принадлежит стеринам. Их жесткие кольца ограничивают подвижность мембран и придают мембранам жесткость. Это имеет два следствия. При низких температурах кольца мешают упорядочению хвостов и разжижают мембрану, препятствуя кристаллизации. При температуре выше фазового перехода, кольца мешают движению цепей, ограничивая свободу вращения около одиночных связей, и понижают текучесть мембран.
Иногда молекулы могут переходить из одного слоя в другой. Это флип-флоп механизм. Это случается редко. Поэтому существуют белки, помогающие молекуле, синтезированной внутри и встроенной во внутренний слой перескочить в наружный.
Мембраны могут сливаться друг с другом. Это ключевой момент во многих биологических процессах. Например, деление клеток, экзоцитоз и эндоцитоз (отшнуровывание пузырьков наружу или внутрь), вирусная инфекция, проникновение спермия в яйцо.
Та же самая неспецифичность гидрофобного взаимодействия позволяет мембранам легко захватывать чужеродные объекты. Благодаря этому клетка не является вещью в себе, а обменивается веществом с окружающей средой. В мембранах есть специальные «ворота». Чтобы объект попал в мембрану ему достаточно иметь соответствующее строение – два полярных участка по краям и гидрофобную середину. Остальное сделают энтропийные силы.
Рассмотрим еще один тип биологических объектов, похожих на майонез. Как переносятся липиды по организму от места синтеза (печени) или всасывания (кишки) к месту хранения или потребления? В виде липопротеинов плазмы крови. Это агрегаты на основе специальных белков аполипопротеинов с различными комбинациями фосфолипидов, холестерина, жиров. В зависимости от состава получаются частицы различной плотности, по которой их классифицируют. Самые легкие называются хиломикроны. Внутри капли находятся жиры, поверхность состоит из полярных липидов. Зачем нужен белок? Чтобы знать, куда тащить липиды, и связываться с рецептором.
В реальной мембране липидный бислой является структурной основой. Функциональной начинкой служат белки.
Мембранные белки - это особенный класс белков, часто нерастворимых в воде. Мембранные белки по своей степени и типу связи с мембраной можно поделить на два класса: интегральные и периферийные. Интегральные белки пронизывают мембрану насквозь. Периферийные связаны либо с другими белками, либо ковалентно пришиты к поверхности бислоя (головкам липидов). Трансмембранные белки нерастворимы в воде, так как содержат неполярные области. Вынуть из мембраны их можно только с помощью детергента, например SDS.
Какова вторичная структура мембранных белков? В основном трансмембранные части белков имеют два типа вторичной структуры: одна или несколько альфа-спиральных шпилек, либо бета-барель. В обоих случаях поверхности гидрофобны. Мембранные белки, и интегральные и переферийные могут свободно диффундировать в двумерной жидкости. Иногда они образуют кластеры.
8