69.Физические свойства биомембран. Подвижность компонентов мембраны (вращательное движение, латеральная и вертикальная диффузия).

Физические свойства мембран.

1. подвижность. 3 типа(липидные):

A) круговые/вращательные - поворот молекул липидов вокруг оси. Время поворота 10-9 – 10-12 секунд, (если гидрофильный участок сбалансирован - скорость вращения высокая)

Б) латеральная подвижность - движение в одном из слоев или перемещение молекул происходит в пределах одного мембранного слоя. V= lсp = корень из 4Dt, где D – коэффициент латеральной диффузии - зависит от химической природы липида

Одна молекула липида способна пройти через всю поверхность за 0,4/11 секунд.

B) флип-флоп переходы. Переход с внешнего слоя мембраны на внутренний, половина молекул переходит ~ за 24 часа.

Этими же типами подвижности обладают и белки, но скорость их гораздо меньше. Это обусловлено: большими размерами, жестким взаимодействием с захваченной водой, взаимодействием с липидами и другими белками. Связи:

- Н-Н связи (ион Н+ и любой отрицательнозаряженный ион)

- Ван-дер-Ваальсовы (3 типа)

ориентационные взаимодействия (между постоянными диполями), индуцибельные (одна молекул диполь, вторая не полярна, но поляризуется под действием диполя), возникновение мгновенных диполей.

Липосомы-образуются при добавлении фосфолипидов в полярный растворитель. При этом происходит самопроизвольное формирование бислойных замкнутых структур, так как именно такая структура отвечает состоянию с минимальной энергией. 2 типа.

Мультиламмелярные - имеет несколько слоев- в которых каждый липидный бислой отделен от другого слоем воды (изучали проницаемость, осмотические свойства мембран)

Моноламмелярные - наиболее приближены к настоящим мембранам. можно получить при воздействии ультразвуком на эмульсию с многослойными липосомами

Протеолипосомы - липосомы с включениями белков, участков биологических мембран (можно изучать системы транспорта, каналы).

Для изучения свойства мембран наиболее широко используют двойной липидный бислой.

(тефлоновые планшеты с определёнными порами). По физическим параметрам сходна с любой биологической мембраной.

2 вязкость и упругость Вязкость обеспечивается межмолекулярными взаимодействиями

70. Фазовые переходы в мембранах; факторы, инициирующие фазовые переходы мембран. Жидкие кристаллы в структуре мембран, их свойства.

Природные и искусственные мембранные системы могут находиться в двух основных фазовых состояниях: в виде твердого двумерного кристалла (гель) или в жидкокристаллическом (расплавленном) состоянии. При нормальных физиологических условиях мембраны находятся в жидком состоянии, однако, в отличие от жидкостей, они имеют строгую упорядоченную пространственную структуру. Благодаря таким свойствам состояние мембран называется жидкокристаллическим. С понижением температуры мембраны переходят из жидкокристаллического состояния в твердокристаллическое (гель-состояние). При таком переходе сохраняется общая структура мембраны: липиды по-прежнему образуют двойной слой с обращенными внутрь гидрофобными «хвостами», но порядок в системе еще более возрастает: «хвосты» липидов вытянуты строго параллельно друг другу (рис. 5.7), их колебания ограничены. Толщина мембраны при переходе в твердокристаллическое состояние увеличивается, но за счет уменьшения площади объем мембраны в целом уменьшается. Подвижность липидных молекул в обоих фазовых состояниях существенно отличается. В гель-состоянии липиды способны совершать только совместные колебания или вращательные движения. В жидком состоянии липидные «хвосты» имеют гораздо большую свободу, особенно велика их подвижность в середине мембраны. Молекулы липидов жидкой мембраны могут находиться в двух конформациях: в полностью транс- и в двойной гош-конформации (поворот на +120° относительно транс-конформации) (гош-транс-гош-конформации), в гель-состоянии реализуется только транс-конформация (рис. 5.8). Длина молекулы в гош-конформации меньше, чем в транс-, а ширина, наоборот,— больше; этим объясняется уменьшение толщины и увеличение площади мембраны, приходящейся на один липид, при переходе из гель- в жидкокристаллическое состояние.

Способность липидов жидкокристаллической мембраны переходить в гош-конформации способствует повышению ее проницаемости для некоторых гидрофильных низкомолекулярных соединений, например воды. Если два соседних участка рядом расположенных молекул нахолятся в гош-конформации (рис. 5.9), то образуется так называемый кинк (от англ. kink — изгиб). Кинки способны перемещаться вдоль липидных «хвостов», и случайно оказавшаяся между ними небольшая молекула может таким образом пересечь гидрофобный слой. при фазовых переходах из жидкокристаллического состояния в гель-состояние и обратно в мембранах образуются поры диаметром 2—6 нм. То есть при фазовом переходе увеличивается проницаемость мембраны для ионов и низкомолекулярных соединений, способных проходить через такие поры.

Фазовый переход в мембранах происходит не мгновенно, а на протяжении некоторого температурного интервала. Температурой фазового перехода называется температура, при которой одна половина мембранных липидов находится в жидкокристаллическом состоянии, а другая половина — в твердокристаллическом.

Температура фазового перехода зависит от липидного состава мембран: чем больше в «хвостах» липидов двойных связей (а их число в одном «хвосте» молекулы может колебаться от нуля до четырех), то есть чем больше степень ненасыщенности жирнокислотных остатков, тем ниже температура фазового перехода.

Для мембран, состоящих из насыщенных липидов, эта величина составляет +60°С, а для мембран, состоящих из ненасыщенных липидов, — снижается до –20°С. Такая разница в температурах плавления объясняется тем, что ненасыщенные жирные кислоты, находящиеся в цис-конформации, способствуют удалению друг от друга молекул липидов, и, следовательно, уменьшают силы сцепления между ними (рис. 5.10). Чем слабее взаимосвязь между молекулами, тем ниже температура перехода мембран в жидкую фазу.

Фазовые переходы мембранных липидов носят кооперативный характер, то есть чем большее количество липидов совершило фазовый переход, тем легче это будет сделать остальным. В идеале, если на каком-либо участке одна молекула липида перешла из твердой в жидкокристаллическую фазу, то за этим сразу же последует фазовый переход всех липидов этого участка (закон «все или ничего»). Такой участок называется кооперативной единицей, а число молекул, входящих в него,— размером кооперативной единицы n. Для липидных мембран n может достигать нескольких десятков. Величина n тем больше, чем более однороден химический состав мембран.

Жидк. крист.

Внутреннее строение липидного бислоя в жидких кристаллах отличается от состояния углеводородов в растворе, хотя в обоих случаях эти структуры гидрофобны. Большая часть анизотропного бислоя в жидком кристалле высокоупорядочена и только относительно небольшие участки в середине биолоя жидкоподобны.