5. Биологические поверхностно-активные вещества

В живых организмах поверхностно-активные вещества, обладая дифильными свойствами, играют исключительно важную роль, так как позволяют совместить гидрофильные и гидрофобные системы, то есть то, что принято считать несовместимым.

Гидрофильные свойства природных ПАВ в основном определяются сильнополярными группами, ионизирующимися в водной среде при рН = 5-8. К ним относятся карбоксильная, фосфатная и сульфогруппы.

В качестве полярного фрагмента природа широко использует углеводные производные: D-галактозу, инозитол и различные олигосахариды, которые в условиях организма являются неиногенными группами и имеют большое сродство к водным системам.

Гидрофобные свойства природных ПАВ обеспечиваются в основном углеводородными радикалами, содержащими число атомов углерода более 12, чтобы обеспечить достаточную энергию гидрофобного взаимодействия и необходимую в присутствии воды толщину защитного гидрофобного слоя. Обычно это углеводородные радикалы с нечетным числом атомов углерода: С₁₅, С₁₇, С₂₃, которые могут быть насыщенными –С₁₅Н₃₁; –С₁₇Н₃₅; –С₂₃Н₄₇ и ненасыщенными, содержащими одну двойную связь: –С₁₅Н₂₉; –С₁₇Н₃₃, две двойные связи –С₁₇Н₃₁ и три двойные связи –С₁₇Н₂₉.

Природные соединения, содержащие такие углеводородные радикалы, называются липидами - это жиры, фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины. Для этих соединений характерна подвижность углеводородной цепи, т.е. отсутствие жесткой пространственной структуры. Кроме липидов поставщиком гидрофобных свойств является стероидный радикал, который содержит жесткую пространственную структуру из четырех

конденсированных колец, что повышает эффективность этого гидрофобного фрагмента в дифильных молекулах (рис. 10).

Рис. 10. Структура стероидного радикала

К природным ПАВ прежде всего следует отнести соли высших жирных кислот, которые называются мылами. Натриевые и калиевые соли высших жирных кислот проявляют сильные гидрофильные свойства, растворимы в воде и способствуют стабилизации в ней неполярных веществ. Соли высших жирных кислот с двух- и трехвалентными металлами нерастворимы в воде, так как у них преобладают гидрофобные свойства, поэтому они лучше растворимы в жирах и стабилизируют полярные вещества в гидрофобной среде.

Сильные поверхностно-активные свойства проявляют различные фосфолипиды, которые содержат два углеводородных радикала и поэтому их изображают . Именно фосфолипиды, составляющие основу биологических мембран, обладают одновременно и гидрофильными и гидрофобными свойствами.

Кроме фосфолипидов в состав биологических мембран входят гликолипиды, холестерин, а также белки.

Применение термодинамического принципа минимума свободной энергии к модели, описывающей статическую структуру биологических мембран, требует выполнения двух следующих условий:

1. белки и липиды должны быть так расположены в мембране, чтобы максимально возможное число полярных групп находилось в контакте с водой и другими полярными группами;

2. неполярные УВ-цепи липидов и аминокислотные остатки белков должны быть расположены так, чтобы максимально устранялся их контакт с водой.

В 1935 году Даниэлли и Даусон предложили модель мембраны, которая на протяжении нескольких десятилетий составляла основу для понимания структуры биологических мембран (рис. 11). Согласно этой модели внутреннюю часть мембраны представляет двойной липидный слой, который с обеих сторон покрыт белками, связанными с полярными концами липидов при помощи электростатических взаимодействий. Однако эта модель не объясняла проницаемости биологических мембран.

Рис. 11. Структура биологических мембран

В основе современных представлений лежит жидкокристаллическая (мозаичная) концепция, выдвинутая С. Сингером и Дж.Никольсеном в 1972 г. и усовершенствованная С. Сингером в 1981 г. Согласно этим представлениям липидный бислой является жидкой структурой, обладающей значительной подвижностью, что придает мембране в целом значительную динамичность. Глобулы белков погружены в липидный бислой, причем некоторые из них пронизывают пространство мембраны насквозь (рис.12). Чередующиеся участки белков и липидов и дают «мозаичную» картину мембраны. Вследствие жидко-кристаллического состояния для биомембран характерна способность и сохранять устойчивость, и сливаться друг с другом, и изменять свойства под действием направленных полей. Благодаря динамичной структуре биомембраны осуществляют транспорт веществ как пассивный (по градиенту концентрации), так и активный (против градиента концентрации).

Рис. 12. Строение мембраны

Вырабатываемая печенью желчь содержит стероидные производные, среди которых поверхностно-активными веществами являются желчные кислоты. Их соли являются мощными эмульгаторами жиров и жирорастворимых компонентов пищи, что обеспечивает эффективную переработку этих гидрофобных веществ в водных условиях.

Таким образом, природные ПАВ в организме выполняют функции стабилизаторов, эмульгаторов, и являются основными компонентами биологических мембран. ПАВ благодаря своим дифильным свойствам совмещают в живых организмах по существу несовместимые гидрофильные и гидрофобные системы. Именно с помощью ПАВ в живых организмах обеспечивается гидрофильно-липофильный баланс. При определенных повышенных концентрациях ПАВ их растворы становятся коллоидными, т.к. молекулы ПАВ объединяются в мицеллы.

Ряд липидов образует комплексы со специфическими белками, эти комплексы называют липопротеинами, которые находятся в плазме крови, Молекулы липидов и полипептидов в липопротеинах прочно связаны друг с другом межмолекулярными взаимодействиями, хотя не образуют ковалентных связей. Липопротеины представляют собой крупные ассоциаты-мицеллы из фосфолипидов и белков, имеющих снаружи гидрофильную оболочку, а внутри гидрофобную среду, в которой растворимы жиры и эфиры холестерола. Наличие внешней гидрофильной оболочки в липопротеинах делает эти богатые липидами ассоциаты лиофильными, растворимыми в воде и хорошо приспособленными для транспорта жиров из тонкого кишечника в жировые депо и в различные ткани. Повышенное содержание липидов в липопротеинах является важным фактором возникновения атеросклероза  заболевания, протекающего с образованием обильных отложений кальциевых солей холестерина на внутренней поверхности кровеносных сосудов. Ограничение кровотока через суженные сосуды мозга или сердца при атеросклерозе может приводить к инсульту или инфаркту миокарда.