Реферат: Термодинамика полиморфизма липидных структур
ККМ для таких липидов составляет <10~'°М. Другими словами, в большинстве случаев концентрация мономерных фосфолипидов, находящихся в равновесии с мембраной, пренебрежимо мала. Поэтому для связывания и переноса мономерных форм липидов внутри клетки или между клетками природа создала специальные белки.
3. Форма мицелл: почему образуется бислой?
В предыдущем разделе было показано, что в водном растворе природные фосфолипиды самопроизвольно агрегируют. Чем же определяется форма мицелл? Следует напомнить, что некоторые природные липиды, например фосфатидилэтаноламин с ненасыщенными жирнокислотными цепями, не образуют стабильных бислоев при диспергировании в воде. Чтобы выяснить механизмы, лежащие в основе стабильности бислоя, и понять, почему некоторые мембранные компоненты способствуют формированию небислойных структур, необходимо более глубоко рассмотреть термодинамику этих систем и обсудить, как форма липидных молекул влияет на их упаковку в мицеллах. Читатели, интересующиеся лишь качественной стороной проблемы, могут опустить этот раздел и сразу перейти к следующему.
Почему мембранные фосфолипиды не образуют глобулярных мицелл? При обсуждении вопроса об упаковке амфифильных молекул в мицеллах определенной геометрии следует рассмотреть стерические требования к упаковке с двух точек зрения. Неполярная часть молекулы характеризуется определенным молекулярным объемом и максимальной длиной этого участка. Без учета других характеристик эти два параметра будут определять максимальный радиус сферической мицеллы, а также число молекул, входящих в мицеллу. Другой параметр, который следует принять во внимание, - это оптимальная площадь, поверхности, занимаемой полярной головкой. У природных фосфолипидов площадь, приходящаяся на молекулу в некоей сферической мицелле, будет намного больше, чем требуется для оптимальной упаковки головок, и эти амфифильные соединения не образуют стабильных сферических мицелл. Мы сначала оценим факторы, которые определяют оптимальную площадь поверхности на молекулу для амфифильных веществ на поверхности мицеллы, а затем посмотрим, как величина этой площади отражается на критическом параметре упаковки, который определяет, какая форма мицелл является более предпочтительной для того или иного амфифильного соединения.
4. Оптимальная площадь поверхности, приходящаяся на молекулу
Теоретически распределение липидов между различными агрегированными структурами определяется химическим потенциалом стандартного состояния молекул в каждой структуре, ц%. Чтобы продолжить рассмотрение, необходимо раскрыть смысл параметра /iN с учетом геометрии мицелл. Следуя представлениям Израелашвили и др., примем, что величина химического потенциала молекулы, имеющей среднюю площадь поверхности S и находящейся в составе мицеллы с параметром агрегации N, имеет три составляющие. Именно зависимость ц% от средней площади, приходящейся на молекулу, позволяет объяснить геометрическую форму мицелл:
Слагаемые 1 и 2 отражают вклад сил притяжения и отталкивания на поверхности мицеллы, а слагаемое 3 представляет собой суммарную энергетическую составляющую, относящуюся к объемной фазе мицеллы. Физический смысл этих составляющих нетрудно понять. Н\ - это свободная энергия, связанная с алкильными цепями. В первом приближении она одинакова для всех мицелл, в которых алкильные цепи изолированы от воды и образуют углеводородоподобную фазу. Этот член, а точнее величина (Hn - Hi), зависит от длины цепи неполярной части молекулы и тем самым определяет ККМ. Таким образом, величина является мерой гидрофобности.
Слагаемые 1 и 2 отражают энергетический вклад межмолекулярных взаимодействий на границе раздела вода-углеводород. Их величина зависит от плотности упаковки липидных молекул в мицелле, а следовательно, от формы мицеллы. Наиболее благоприятна такая форма, которая минимизирует свободную энергию системы. Попытаемся понять это, исходя из следующих простых термодинамических представлений.
Слагаемое 1: yS, поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Этот член, отражающий силы притяжения, эквивалентен поверхностному натяжению, стабилизирующему границу раздела жидкость-жидкость в системах вода-углеводород.7 - это коэффициент поверхностного натяжения; он имеет размерность энергии в расчете на 1 см2 и обычно равен примерно 50 эрг/см2 . Эта величина эквивалентна работе, совершаемой при изменении площади поверхности на 1 см2 при поверхностном давлении 50 дин/см. Поверхностное натяжение можно также рассматривать как "отрицательное давление", возникающее за счет различных сил межмолекулярного притяжения на границе раздела фаз. В этом случае оно имеет размерность дина/см и составляет около 50 дин/см.
Слагаемое 2: C/S, силы межмолекулярного отталкивания. В первом приближении их можно представить как сумму всех сил отталкивания на границе раздела фаз, включая электростатические и стерические. Главной особенностью этого члена является то, что все входящие в него силы отталкивания обратно пропорциональны средней площади, приходящейся на молекулу на гидрофобной поверхности мицелл. Другими словами, чем плотнее упакованы молекулы, тем сильнее становятся эти взаимодействия и тем неблагоприятнее их влияние.
Эти два слагаемых лежат в основе предложенного Тэнфордом принципа действия противоположных сил. Стремлению молекул к ассоциации противодействуют силы отталкивания, объединенные константой С, что в конечном счете определяет оптимальную упаковку молекул в бислое.
Величину S, отвечающую оптимальной упаковке, можно получить, положив dn%/dS = 0, т.е. минимизировав свободную энергию по площади поверхности, приходящейся на молекулу. Это дает
Даже при таком сверхупрощенном рассмотрении видно, что So задается молекулярной константой С. Например, можно ожидать, что для додецилсульфата будет иметь место сильное электростатическое отталкивание между заряженными сульфатными группами на поверхности мицеллы, и это приведет к большим значениям So, особенно при низкой ионной силе. И в самом деле, полярная головка этой молекулы занимает большую площадь на поверхности мицеллы, удерживая группы на достаточном удалении друг от друга. Это взаимодействие и определяет сферическую форму мицелл додецилсульфата. Чтобы убедиться в этом, проведем следующее рассмотрение.
5. Геометрия мицелл и критический параметр упаковки
Говоря о наиболее стабильной геометрии мицелл, следует принять во внимание три молекулярных параметра.
Sb, оптимальная площадь поверхности, занимаемой молекулой на гидрофобной поверхности раздела. Она частично зависит от свойств раствора, особенно ионной силы в случае заряженных молекул.
максимальная длина алкильной цепи в простых амфифильных молекулах с одной цепью и в фосфолипидах. Она определяет верхний предел размера мицелл, например радиус сферической мицеллы или толщину бислоя. Обратите внимание, что мицеллы никогда не имеют полостей или дырок, поэтому радиус сферической мицеллы не может превышать /, хотя и может быть меньше этой величины. Обычно он несколько меньше длины максимально вытянутой цепи, имеющей полностью-трансконфигурацию.
V, молекулярный объем углеводородной области амфифильной молекулы. Объем мицеллы, ограничиваемый границей раздела фаз углеводород-вода, считают равным Mv, где М - число молекул в мицелле.
Площадь поверхности, приходящейся на единицу объема, зависит от геометрии мицеллы, и именно этим в конечном счете определяется, какие мицеллы образуются различными амфифильными соединениями. Рассмотрим некоторые возможные формы мицелл.
Сферы. Если размер определяется длиной углеводородной цепи, то из всех возможных структур сфера имеет наибольшее отношение поверхности к объему; к образованию мицелл такой формы особенно склонны липиды с большой величиной So, такие, как додецилсульфат.
Деформированные сферы. Для них характерно меньшее значение отношения поверхность/объем, чем для сфер:
а) эллипсоиды: по-видимому, их образование маловероятно , поскольку на некоторых участках поверхности упаковка молекул в высшей степени невыгодна;
б) глобулы: состоят как бы из двух слившихся сфер. Их образование считается весьма вероятным.
Стержни и цилиндры. Характеризуются еще более низким отношением поверхность/объем. По краям, по-видимому, имеют закругления в виде полусфер, позволяющие устранить контактирование воды с неполярной областью при сохранении приемлемой упаковки молекул. Вислой. Имеет наименьшее отношение поверхность/объем; легче всего его образуют липиды с большим молекулярным объемом. Обратите внимание, что диски и плоские фрагменты бислоя энергетически весьма невыгодны из-за контактирования их краев с водой. При замыкании бислоя в сферические везикулы этот краевой контакт устраняется. Замыканию благоприятствует и энтропийный фактор, поскольку при этом образуются частицы меньших размеров, чем протяженные плоские фрагменты бислоя. Однако некоторые белки и пептиды стабилизируют фосфолипидные диски.
Зная параметр v/lSo, можно предсказать, какие мицеллы будут преимущественно образовываться теми или иными молекулами. Этот параметр называется критическим параметром упаковки и зависит от объема и длины неполярного участка молекулы, а также от оптимальной площади поверхности полярной головки. Рассмотрим, например, сферическую мицеллу радиусом R, содержащую М молекул.
Полная поверхность мицеллы = MSo = 4rrR2 , Полный объем мицеллы = Mv = т/? 3 , так что радиус мицеллы
Поскольку радиус мицеллы не может быть больше / - максимально возможной длины углеводородной цепи липидной молекулы, то условие упаковки липидов в сферические мицеллы будет выглядеть как
Аналогичные расчеты легко провести также для мицелл цилиндрической формы и для плоского бислоя. Критические параметры в этом случае будут равны