Классификация мембранных липидов показывает, что этот класс объединяет соединения, которые построены по единому пла- ну, их стереоконфигурация имеет общие черты. По этой причине, оказавшись в водном растворе, фосфолипиды ведут себя сходным образом: проявляют стремление создать ансамбли из множества молекул липидов. Тем не менее, липиды плохо растворяются как в полярном рас- творителе – воде (мешают неполярные хвосты), так и в неполяр- ной среде – масле (мешают полярные головки). Самое энергетически выгодное для них расположение – мономо- лекулярный слой на поверх- ности раздела между водой и маслом, в этом случае их хво- сты погружены в масло (рис. 14). Чтобы подчеркнуть раз- личное отношение к воде и к маслу, головки называют гидрофильными, а хвосты – липофильными. Соответст- венно липиды, молекулы ко- торых содержат как гидро- фильную, так и липофиль- ную группировку, называют амфифильными веществами (или амфипатическими). Рассмотрим поведение ли- пидов в воде. Строение липидных агрегатов в воде может быть чрезвычайно разнообразным. Оно зависит не только от природы самого липида, но и от его концентрации, температуры и присут- ствия других веществ. Большинство липидов плохо растворимы в воде. Как строение липидных образований зависит от концентрации Рис. 14. Мономолекулярный слой липидов на поверхности раздела вода-масло и мицеллы липидов в масле и воде 36 липидов? Липиды лишь при очень большом разбавлении находят- ся в воде в виде отдельных, не связанных между собой молекул. Даже при небольшом повышении концентрации липида его моле- кулы объединяются в замкнутые агрегаты, так называемые мицел- лы. Эту концентрацию называют критической концентрацией ми- целлообразования (ККМ). Для большинства мембранных липидов она составляет меньше 1% (рис. 14). При увеличении концентра- ции липида в воде и при понижении температуры количество та- ких мицелл растет. В разбавленных водных растворах образуются преимущественно шарообразные мицеллы - микроскопические ка- пельки, у которых полярные головки обращены наружу, а непо- лярные хвосты обращены внутрь. В масле происходит аналогич- ный процесс, но тут мицеллы оказываются как бы вывернутыми наизнанку (рис. 14). Если еще более увеличить концентрацию липидов в воде, произойдет дальнейшее изменение структуры липид- ных ансамблей. При относительно малом содержании воды фосфолипиды мо- гут образовывать несколько типов жидкокристаллических струк- тур (рис. 15). Среди них имеется ламеллярная (слоистая) структура, состоящая из чередующихся липидных бимолекулярных слоев и водных промежутков, а также цилиндрические структуры из мо- лекул липидов, расположенных в водной фазе. Одна структура может переходить в другую при изменении концентрации воды и температуры. Часто липиды образуют агрегаты различных типов одновременно, причем они могут переходить друг в друга. Такое поведение называют «мезоморфизмом». Если переход одних агре- гатов в другие зависит от содержания воды, говорят о «лиотроп- ном мезоморфизме». Когда он осуществляется под влиянием изме- нения температуры – о «термотропном мезоморфизме». Такие фазовые переходы возможны и в биологических мембранах, они иг- рают большую роль в жизни клеток. Если концентрация липидов в воде высока, то мицеллы слива- ются и образуются плоские бимолекулярные слои (рис. 16), являю- щиеся аналогами структуры мембранного липидного бислоя. 37 Рис. 15. Структуры липидных агрегатов в воде А – гелеобразная, Б – ламеллярная, В – цилиндрическая (гексагональная) фаза липидов в воде, Г – цилиндры воды в липидной фазе. Наличие у молекул липидов двух частей – сильно полярной (го- ловки) и неполярной (хвостов) имеет прямое отношение к их спо- собности самопроизвольно образовывать мембраны - происходит так называемая самосборка мембранного бислоя. В бислойных структурах полярные «головы» обращены к воде, а гидрофобные хвосты ориентированы внутрь бислоя. Как искусственные, так и естественные мембраны всегда замкнуты сами на себя, образуя по- лые вакуоли, пузырьки, везикулы, плоские замкнутые мешки или трубчатые образования. 38 Рис. 16. Сплошной бимолекулярный слой, образующийся в воде при высокой концентрации липида. Природные фосфолипиды – выраженные амфифилы. Величина ККМ для них очень мала. Другими словами, уже при низких кон- центрациях при комнатной температуре они образуют упорядочен- ные мицеллы, сливающиеся при повышении концентрации фосфо- липида в однослойные или многослойные агрегаты, которые назы- вают липосомами. Какие силы заставляют липиды объединяться в агрегаты, со- стоящие из многих молекул? Бислойная структура стабилизирует- ся гидрофобными взаимодействиями в области ацильных цепей и полярными взаимодействиями на границе раздела водной и липид- ной фаз. В основе полярных взаимодействий действуют ионные, диполь-дипольные, водородные и вандерваальсовы связи. Все они являются слабыми. Важная роль слабых взаимодействий в стаби- лизации бислоя объясняется их высокой плотностью. Не менее важна роль и гидрофобных взаимодействий. Так как термодинами- чески невыгодно неполярным хвостам липидов взаимодействовать с упорядоченной структурой воды (которая стабилизирована водо- родными связями), липиды стремятся избежать взаимодействия с водой и объединяются в агрегаты. Такое взаимодействие между липидами, вызывающее их «неприязнь» к воде, называют гидро- фобным взаимодействием. Гидрофобные силы определяют как «способность аполярных групп к тесному контакту в водных сре- 39 дах, которое обеспечивает вытеснение воды из образуемых агрега- тов». Мы говорили о поведении липидов в чистой воде. Но жизнь клеток проходит не в дистиллированной воле, а в растворах, содержащих те или иные соли. Поэтому необходимо рассмот- реть влияние солей на липидные агрегаты. Липидная мицелла с суммарным отрицательным зарядом будет не безразлична к солевому составу окружающей ее среды. На поверхности раз- дела между водой и липидом создается разность потенциалов. Если к водной среде добавить поваренную соль (хлористый на- трий), то положительно заряженные ионы натрия (Na+) будут связываться поверхностью мембраны, а отрицательно заряжен- ные ионы хлора (Cl-) – отталкиваться в водную фазу. Обычно приповерхностную область разделяют на 2 части – ближайшую к поверхности липида, в которой ионы натрия стабилизирова- ны (там концентрация ионов больше, – сольватация) и внеш- нюю, диффузную часть, в которой ионы передвигаются более свободно. Как известно, в воде присутствуют в очень малой степени поло- жительные ионы водорода и отрицательно заряженные гидро- ксильные группы. Ионы водорода притягиваются отрицательно заряженной поверхностью мицеллы, а гидроксильные группы – от- талкиваются в водную фазу. Поэтому кислотность среды вблизи поверхности мицелл отличается от кислотности водного раствора. И по своим физическим свойствам вода вблизи поверхности ми- целлы заметно отличается от обыкновенной воды, например, она не замерзает при 0ºС. Таким образом, у поверхности липидов в воде существенно ме- няются концентрация солей, физические свойства и кислотность среды. Форма и размеры образуемых липидных ассоциатов зависят от многих факторов: 1) от длины ацильных цепей фосфолипидов, 2) от жирнокислотного состава фосфолипидов 3) от степени ненасыщенности ацильных цепей фосфолипидов, 4) от структуры полярной части молекул фосфолипидов. 40 Рассмотрим перечисленные факторы. 1) Упаковка жирнокислотных цепей в мицеллах зависит от дли- ны углеводородной цепи. При малых значениях n (до 16) колич ство молекул, необходимых для формирования мицеллы, таково, что в ее объеме жирнокислотные цепи располагаются достаточно свободно. Структурную стабильность таких мицелл поддерживают полярные связи. При возрастании длины жирнокислотной цепи плотность упаковки в мицеллах увеличивается быстрее, чем их размер, и внутреннее содержимое мицелл становится более ком- пактным благодаря усилению связей между гидрофобными цепя- ми. Гидрофобные взаимодействия зависят от степени контакта ме- жду ацильными цепями – эффективность этих взаимодействий об- ратно пропорциональна подвижности цепей. Один из важных фак- торов, регулирующих подвижность,– наличие двойных связей в цепи. 2) Подавляющее большинство природных жирных кислот содержит четное количество атомов углерода. Ранее это связы- вали с удобствами превращения этих соединений в процессе окисления. Затем было показано, что жирные кислоты с нечет- ным числом атомов углерода в цепи также подвергаются окис- лительным превращениям. Но обращает на себя внимание раз- ная стабильность мицелл, образуемых жирными кислотами с четным и нечетным числом атомов углерода. Об этом говорит величина энергии, которую необходимо сообщить структуре для перевода ее из кристаллического в жидкое состояние. Из таблицы 5 видно, что изменение энтальпии для жирных кислот с четным количеством атомов углерода выше, т.е. образуемые ими ассоциаты структурно стабильнее. 3) Углеводородные цепи липидных молекул бывают двух ви- дов: насыщенные и ненасыщенные, причем у ненасыщенных це- пей может быть одна или несколько двойных связей. Если пленка состоит из смеси насыщенных и ненасыщенных фосфолипидов, то в месте расположения двойных связей нарушится порядок, так как не будет соблюдаться строго параллельное расположение цепей. Поэтому пленки из смеси липидов, содержащих как насыщенные, так и ненасыщенные цепи при той же температуре являются более 41 жидкими, чем пленки, построенные из липидов, содержащих толь- ко насыщенные цепи. Это явление имеет огромное значение для нормальной работы биологических мембран в живой клетке. Для того, чтобы клетка могла проявлять процессы жизнедеятельности, липиды, входящие в состав ее мембран, обязательно должны находиться в состоянии «жидкой» пленки. Только в этом состоянии может быть обеспече- но правильное функционирование мембранных белков и нормаль- ное прохождение различных веществ через мембрану. Было, на- пример, показано, что при замене ненасыщенных липидов на на- сыщенные в мембранах бактерий скорость прохождения веществ через мембрану падает в 20 раз. Таблица 1. Зависимость температуры плавления и энтальпии фазового перехода жирных кислот от длины их углеродной цепи Число атомов углерода в жирнокислотной цепи Температура плавления, 0 С Изменение энтальпии (Н0), ккал/моль С13 С14 С15 С16 С17 С18 С19 С20 –5,4 5,9 10,0 18,2 22,0 28,2 32,0 36,7 6,8 10,8 8,3 12,8 9,7 14,8 12,0 16,8 Понятно поэтому, что клетки очень чутко реагируют на измене- ние температуры, стремясь к тому, чтобы их мембрана постоянно оставалась в «жидком» состоянии. Как только снижается темпера- тура окружающей среды, бактерии заменяют насыщенные липиды в своих мембранах на ненасыщенные. Так же ведут себя и клетки растений. Организм человека и теплокровных животных обеспечи- вает жидкое состояние своих клеточных мембран, поддерживая строго постоянную температуру тела. У некоторых животных это свойство принимает причудливые формы. Например, в ногах пин- гвина и северного оленя температура падает по мере удаления от корпуса, соответственно мембраны клеток в этих тканях все более обогащаются ненасыщеными жирными кислотами. 42 4) Способность липидов к самоорганизации (самосборке) зави- сит, конечно, не только от их углеводородных цепей, но и от при- роды полярных головок. Головки несут либо отрицательный заряд, либо одновременно отрицательный и положительный заряды, ней- трализующие друг друга. Именно последний тип липидов (ней- тральные) преобладает в большинстве клеточных мембран. Это не случайно. Липидам с отрицательно заряженными головками труд- но объединяться в агрегаты, так как между головками действуют электростатические силы отталкивания. В случае электронейтраль- ных полярных головок липидные молекулы могут быть упакованы так, чтобы полностью реализовалась выгода гидрофобного взаимо- действия неполярных цепей. В зависимости от размеров полярных областей фосфолипидов возникает асимметрия мембранного бислоя, что является важной особенностью мембран.