СОДЕРЖАНИЕ
ТЕРМОДИНАМИКА ПОЛИМОРФИЗМА ЛИПИДНЫХ СТРУКТУР
1. ГИДРОФОБНЫЕ СИЛЫ
2. ОБРАЗОВАНИЕ МИЦЕЛЛ
3. ФОРМА МИЦЕЛЛ: ПОЧЕМУ ОБРАЗУЕТСЯ БИСЛОЙ?
4. ОПТИМАЛЬНАЯ ПЛОЩАДЬ ПОВЕРХНОСТИ, ПРИХОДЯЩАЯСЯ НА МОЛЕКУЛУ
5. ГЕОМЕТРИЯ МИЦЕЛЛ И КРИТИЧЕСКИЙ ПАРАМЕТР УПАКОВКИ
6. ФОРМА ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ
ТЕРМОДИНАМИКА ПОЛИМОРФИЗМА ЛИПИДНЫХ СТРУКТУР
Данные, представленные в предыдущем разделе, показывают, что гидратированные липиды обладают структурным полиморфизмом. Во всех липидных структурах неполярные углеводородные области молекул агрегируют, а полярные головки контактируют с водой. В этом разделе мы кратко рассмотрим термодинамические принципы образования мицелл амфифильными липидами. Термодинамический анализ будет проводиться с учетом геометрической формы молекул, что позволит с единых позиций рассмотреть такие разные вопросы, как механизм разрушения мембран под действием детергентов и механизм влияния холестерола на фосфолипидный бислой.
1. ГИДРОФОБНЫЕ СИЛЫ
С точки зрения термодинамики основной силой, стабилизирующей гидратированные липидные агрегаты, являются гидрофобные взаимодействия. К другим стабилизирующим факторам относятся:
Вандерваальсовы силы: короткодействующие слабые силы притяжения между соседними гидрофобными цепями. Притяжение возникает за счет взаимодействия между индуцированными диполями.
Водородные связи: образуются между полярными головками некоторых липидов. В ряде случаев мостики между отрицательно заряженными липидами образуются с помощью двухвалентных катионов.
Все эти силы по своей стабилизирующей способности значительно уступают гидрофобным взаимодействиям. Под действием гидрофобных сил система принимает такую структурную организацию, при которой сводятся к минимуму контакты между неполярными участками липидных молекул и водой. Эти силы имеют энтропийную природу и связаны с ограничениями, налагаемыми на упаковку молекул воды вокруг неполярных углеводородов.
Динамическая структура чистой воды весьма сложна, однако ясно, что она стабилизируется прежде всего межмолекулярными водородными связями. Когда какой-либо ион, например С1~, попадает в воду, он сольватируется, при этом молекулы воды образуют вокруг него гидратную оболочку. С точки зрения энтропии упорядочение молекул воды невыгодно, но это с избытком компенсируется сильными электростатическими взаимодействиями, так что суммарное изменение свободной энергии при растворении соли в воде оказывается термодинамически выгодным. Когда в воде растворяется неполярное вещество, структура воды вокруг каждой молекулы также нарушается. Молекулы воды стремятся ориентироваться таким образом, чтобы сохранились межмолекулярные водородные связи, но поскольку те молекулы воды, которые непосредственно контактируют с молекулами растворенного неполярного вещества, соседствуют с меньшим число молекул воды, в системе возникают значительные структурные напряжения. Это приводит к уменьшению энтропии системы, причем в данном случае компенсирующие электростатические взаимодействия отсутствуют. В результате суммарное изменение свободной энергии при переносе иеполярного вещества из неполярного растворителя в воду термодинамически неблагоприятно из-за энтропийных эффектов, связанных с нарушением структуры воды как растворителя. Аналогией водных систем с растворенными в них неполярными молекулами могут служить кристаллогидраты неполярных молекул или атомов, в которых вода образует решетки или клатраты, окружающие “растворенное” вещество.
Невыгодные взаимодействия между неполяриым растворяемым веществом и водой – это и есть “гидрофобные силы”. С помощью термодинамических измерений можно количественно оценить стремление неполярных веществ минимизировать контакты с водой. Гидрофобные силы являются главным фактором стабилизации практически всех биологических макромолекулярных структур, включая глобулярные белки, а также фосфолипидный бислой. “Гид-рофобность” таких простых молекул, как углеводороды, можно количественно оценить по данным равновесного распределения растворяемого вещества между двумя растворителями, например водой и гептаном.
Выразим концентрацию растворенного вещества в воде и в углеводороде в мольных долях, Нг0 и нс Тогда константа равновесия К будет равна
Стандартная свободная энергия переноса вещества из одной фазы в другую, ДСперенос. является мерой его гидрофобности. Показано, что гидрофобность пропорциональна площади поверхности контакта между водой и неполярным растворенным веществом. Чем крупнее молекула, тем значительнее нарушения структуры воды из-за увеличения площади контакта. Как видно из рис.2.16, гидрофобность углеводородов возрастает пропорционально площади их поверхности. Используя вандерваальсов радиус для расчета площади поверхности контакта между молекулами воды и углеводородами, подсчитали, что AGnepeHOC составляет около – 25 кал/А2. Для углеводородов с неразветвленной цепью гидрофобность составляет около – 800 кал/моль в расчете на одну – СНг-группу. Другими словами, при увеличении длины цепи на два метиленовых звена константа равновесия увеличивается в 10 раз.
2. ОБРАЗОВАНИЕ МИЦЕЛЛ
Рассмотрим, что происходит при растворении углеводородов с длинной цепью в воде. Из-за весьма неблагоприятных “гидрофобных” взаимодействий, описанных в – предыдущем разделе, их растворимость будет очень мала. Такие углеводороды, как додекан, смогут растворяться в воде лишь до определенной концентрации, а выше этой концентрации они будут образовывать отдельную фазу. При дальнейшем добавлении до декана будет просто увеличиваться содержание додекановой фазы, а концентрация додека-на, растворенного в воде, не изменится.
Посмотрим теперь, что произойдет при попадании в воду амфи-фильной молекулы, например додецилсульфата натрия. Молекула этого типичного детергента состоит из неполярной части и из сильно заряженной полярной группы, расположенной на одном из концов цепи. Когда достигается предел растворимости мономерной формы этого детергента, он также образует отдельную фазу. Однако в данном случае эта “фаза” диспергирована в виде небольших агрегатов, называемых мицеллами, по всему объему воды.
Поскольку взаимодействия между полярной головкой и водой являются более предпочтительными, то энергетически выгодно, чтобы эта часть молекулы контактировала с водой, а ее неполярная область была исключена из такого контакта. Концентрация, при которой 50°/о детергента находятся в составе мицелл, называется критической концентрацией мицеллообразования. С практической точки зрения удобнее определять ККМ как концентрацию, при которой начинают образовываться мицеллы. ККМ соответствует пределу растворимости молекул в мономерном состоянии. Дальнейшее добавление додецилсульфата приводит к увеличению концентрации мицелл.
Липидные агрегаты или мицеллы могут иметь разные размеры и форму. Так, додецилсульфат образует в воде сферические мицеллы, содержащие около 60 молекул на мицеллу. Некоторые детергенты и амфифильные молекулы могут образовывать как глобулярные, так и цилиндрические агрегаты. Фосфолипиды спонтанно агрегируют с образованием бислоев, которые по сути представляют собой своеобразную разновидность мицелл. Причины, по которым природные фосфолипиды образуют стабильные бислои, будут рассмотрены в следующем разделе. А здесь мы проведем количественный анализ связи между гидрофобностью и ККМ.
Водный раствор амфифильного соединения может состоять из смеси разных форм, включая мономеры и различные агрегаты из большого числа молекул. В равновесии химический потенциал амфифильного соединения в каждой из форм будет одинаковым:
кТ= ftv + jy\n = Константа, одинаковая для всех N,
где fiN – стандартный химический потенциал агрегатов, содержащих N молекул, Х\ – мольная доля амфифильных молекул в агрегатах, содержащих N молекул, к – константа Больцмана, Т – температура. Для простоты рассмотрим монодисперсную систему с М молекулами на один агрегат. Это означает, что есть только один тип агрегатов с N = М, находящихся в равновесии с мономером. Хотя это и явное упрощение, но оно вполне приемлемо для молекул, образующих сферические мицеллы или небольшие моноламел-лярные везикулы. Теперь рассмотрим условия равновесия системы при критической концентрации мицеллообразования и представим ККМ как такую концентрацию, при которой Х\ = Хм:
Основной вклад в величину ДО°иц дает свободная энергия гидрофобного переноса за счет вытеснения воды из неполярных областей амфифильных агрегатов при формировании мицеллы. Обратите внимение, что более отрицательные величины AG„„U соответствуют меньшим значениям А”ккм, т.е. очень гидрофобные молекулы стремятся агрегировать при более низких концентрациях. Фактически для простых амфифильных молекул с одной углеводородной цепью, как в случае алкилсульфатов, зависимость ДО„нц от длины цепи очень близка к зависимости ДОперенос ДЛ* алкильных цепей от их длины. С точки зрения термодинамики перенос неполярных групп из воды в жидкий углеводород аналогичен их переносу во внутреннюю гидрофобную область мицеллы. Количественно это выражается в том, что при каждом увеличении длины цепи на два метиленовых звена ККМ уменьшается примерно на порядок.
В случае мембран это означает, что для природных фосфолипи-дов, которые обычно имеют две длинные алкильные цепи на молекулу, гидрофобная составляющая AG„„U очень сильно благоприятствует их переходу в агрегированное состояние. Величина
ККМ для таких липидов составляет 1 и, следовательно, не образуют стабильных бислоев. Эти липиды, имеющие относительно небольшие полярные головки, как мы уже видели, формируют обращенную гексагональную фазу. Их роль в биологических мембранах неясна, хотя и служит предметом активного обсуждения.
6. ФОРМА ЛИПИДНЫХ МОЛЕКУЛ
Итак, мы начали с рассмотрения термодинамических аспектов агрегации липидов. Однако ясно, что качественный анализ можно провести, проанализировав способы упаковки различных липидов с учетом геометрической формы их молекул. Это четко видно при сопоставлении общей формы липидных молекул, в частности при сравнении площади поперечного сечения углеводородного участка молекулы, примерно равной v/l, с оптимальной площадью поверхности, необходимой для размещения полярной головки So. Такой подход мы использовали, когда анализировали различия в характере упаковки фосфатидилэтаноламина и фосфатидилхолина в кристаллах и в фазе геля бислоя. Упрощенно липидные молекулы можно представить в виде конусов, цилиндров или перевернутых конусов в зависимости от соотношения между этими двумя величинами.
На рис.2.18 схематично показаны все эти формы и приведены конкретные примеры. Конечно, это – образное представление результатов термодинамического анализа, проведенного в предыдущих разделах, но оно позволяет легко осмыслить хотя бы на качественном уровне большой массив экспериментальных данных. На основе простого рассмотрения формы липидных молекул можно понять роль отдельных липидов в бислое, например в отношении стабилизации участков мембраны с большой кривизной и упаковки молекул вокруг мембранных белков.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
