Фазовые переходы липидов в мембранах.

Липидные двухслойные мембраны при физиологических условиях – жидкие, «время оседлой жизни» фосфолипидной молекулы в мембране составляет 10^{− 7}– 10^{− 8} с.

Молекулы в мембране расположены не беспорядочно, в их расположении наблюдается дальний порядок. Фосфолипидные молекулы находятся в двойном слое, а их гидрофобные хвосты примерно параллельны друг другу. Есть порядок и в ориентации полярных гидрофильных голов.

Физиологическое состояние, при котором есть дальний порядок во взаимной ориентации и расположении молекул, но агрегатное состояние жидкое, называется жидкокристаллическим состоянием. Жидкие кристаллы могут образовываться не во всех веществах, а в веществах из «длинных молекул» (поперечные размеры которых меньше продольных).

В водной среде липидные структуры часто ведут себя как жидкие кристаллы – обладают анизотропией и некоторыми признаками упорядоченности (рис. 4.7). Это связано с тем, что они в качестве двуцепочечных амфифильных (амфипатических) молекул способны образовывать двойные слои в водной среде. Полярные головки при этом обращены в водную среду, а неполярные хвосты создают гидрофобную среду.

Бислой обладает свойствами лиотропного мезоморфизма (зависимость состояния от гидратации) и термотропного мезоморфизма (зависимость состояния от температуры). Эти свойства связаны друг с другом – температура фазового перехода зависит от степени гидратации, а также от рН, электрического заряда и ионного состава раствора.

При достижении критической температуры в липидном бислое происходит фазовый переход. Жидкий кристалл переходит в состояние геля и обратно. В полностью однородном бислое (состоящем из одного типа липидных молекул) фазовые переходы являются кооперативными. То есть в узком температурном интервале этим переходом охватывается весь бислой.

В момент фазового перехода возрастает подвижность полярных головок и гидрофобных хвостов, меняется геометрия бислоя – увеличивается его площадь и возрастает гидрофобный объём мембраны.

Фазовые переходы в мембране обладают склонностью к кооперативности, то есть к генерализации с помощью так называемых конформационно–чувствительных сигналов.

Рис. 4.7. Структуры, образуемые липидами в водной фазе.

Жидкокристаллические структуры очень чувствительны к изменению температуры, давления, химического состава, электрического поля. Например, при понижении температуры в фосфолипидной мембране происходит переход из жидкокристаллического в гель–состояние (рис. 4.8). В гель–состоянии молекулы расположены еще более упорядоченно, чем в жидкокристаллическом. Все углеводородные гидрофобные хвосты фосфолипидных молекул в гель–фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу (имеют полностью транс–конформацию). В жидком кристалле за счет теплового движения возможны транс–гош–переходы, хвосты молекул изгибаются, их параллельность в отдельных местах нарушается и особенно сильно в середине мембраны.

Толщина мембраны в гель–фазе больше, чем в жидком кристалле. Однако при переходе из твердого в жидкокристаллическое состояние объем несколько увеличивается, потому что возрастает площадь мембраны (в расчете на одну молекулу площадь возрастет с 0, 48 до 0, 58 нм²). Так как в твердокристаллическом состоянии упорядоченность в строении выше, чем в жидком кристалле, ему соответствует меньшая энтропия.

Рис. 4.8. Изменение структуры мембраны при переходе из жидкокристаллического состояния в гель–состояние и обратно при изменении температуры.

Для нормального функционирования мембрана должна быть в жидкокристаллическом состоянии. Поэтому в живых системах при продолжительном понижении температуры окружающей среды наблюдается адаптационное изменение химического состава мембран в результате обмена веществ. Это обеспечивает понижение температуры фазового перехода. Температура фазового перехода понижается при увеличении числа ненасыщенных связей в составе жирных кислот в фосфолипидах. Температура фазового перехода гель – жидкий кристалл может изменяться от – 20 º С (для мембран из ненасыщенных липидов) до + 60 º С (для насыщенных липидов). Увеличение числа ненасыщенных липидов в мембране при понижении температуры среды обитания наблюдается у всех организмов.