Термодинаміка поліморфізму ліпідних структур

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


Зміст

Термодинаміка поліморфізму ліпідних структур

1. Гідрофобні сили

2. Освіта міцел

3. Форма міцел: чому утворюється бішар?

4. Оптимальна площа поверхні, яка припадає на молекулу

5. Геометрія міцел і критичний параметр упаковки

6. Форма ліпідних молекул

Термодинаміка поліморфізму ліпідних структур

Дані, представлені в попередньому розділі, показують, що гідратовані ліпіди мають структурним поліморфізмом. У всіх ліпідних структурах неполярні вуглеводневі області молекул агрегує, а полярні головки контактують з водою. У цьому розділі ми коротко розглянемо термодинамічні принципи утворення міцел амфіфільних ліпідами. Термодинамічний аналіз буде проводитися з урахуванням геометричної форми молекул, що дозволить з єдиних позицій розглянути такі різні питання, як механізм руйнування мембран під дією детергентів та механізм впливу холестеролу на фосфоліпідний бішар.

1. Гідрофобні сили

З точки зору термодинаміки основною силою, стабілізуючою гідратовані ліпідні агрегати, є гідрофобні взаємодії. До інших стабілізуючим факторів належать:

Вандерваальсови сили: короткодіючі слабкі сили притягання між сусідніми гідрофобними ланцюгами. Тяжіння виникає за рахунок взаємодії між індукованими диполями.

Водневі зв'язки: утворюються між полярними головками деяких ліпідів. У ряді випадків містки між негативно зарядженими ліпідами утворюються за допомогою двовалентних катіонів.

Всі ці сили по своїй стабілізуючою здібності значно поступаються гідрофобним взаємодіям. Під дією гідрофобних сил система приймає таку структурну організацію, при якій зводяться до мінімуму контакти між неполярними ділянками ліпідних молекул і водою. Ці сили мають ентропійних природу і пов'язані з обмеженнями, що накладаються на упаковку молекул води навколо неполярних вуглеводнів.

Динамічна структура чистої води дуже складна, однак ясно, що вона стабілізується насамперед міжмолекулярними водневими зв'язками. Коли який-небудь іон, наприклад С1 ~, потрапляє у воду, він сольватіруется, при цьому молекули води утворюють навколо нього гідратну оболонку. З точки зору ентропії впорядкування молекул води невигідно, але це з надлишком компенсується сильними електростатичними взаємодіями, так що сумарна зміна вільної енергії при розчиненні солі у воді виявляється термодинамічно вигідним. Коли у воді розчиняється неполярних речовин, структура води навколо кожної молекули також порушується. Молекули води прагнуть орієнтуватися таким чином, щоб збереглися міжмолекулярні водневі зв'язки, але оскільки ті молекули води, які безпосередньо контактують з молекулами розчиненої неполярного речовини, є сусідами з меншим число молекул води, у системі виникають значні структурні напруги. Це призводить до зменшення ентропії системи, причому в даному випадку компенсують електростатичні взаємодії відсутні. В результаті сумарна зміна вільної енергії при перенесенні іеполярного речовини з неполярного розчинника у воду термодинамічно несприятливо через ентропійних ефектів, пов'язаних з порушенням структури води як розчинника. Аналогією водних систем з розчиненими в них неполярними молекулами можуть служити кристалогідрати неполярних молекул або атомів, в яких вода утворює грати або клатрати, оточуючі "розчинена" речовина.

Невигідні взаємодії між неполяріим речовини, що розчиняється і водою - це і є "гідрофобні сили". За допомогою термодинамічних вимірів можна кількісно оцінити прагнення неполярних речовин мінімізувати контакти з водою. Гідрофобні сили є головним чинником стабілізації практично всіх біологічних макромолекулярних структур, включаючи глобулярні білки, а також фосфоліпідний бішар. "Гід-рофобность" таких простих молекул, як вуглеводні, можна кількісно оцінити за даними рівноважного розподілу растворяемого речовини між двома розчинниками, наприклад водою і гептаном.

Висловимо концентрацію розчиненої речовини у воді і в вуглеводні в мольних частках, Нг0 і нс Тоді константа рівноваги До буде дорівнює

Стандартна вільна енергія переносу речовини з однієї фази в іншу, ДСперенос. є мірою його гідрофобності. Показано, що гідрофобність пропорційна площі поверхні контакту між водою і неполярних розчиненим речовиною. Чим більше молекула, тим значніше порушення структури води через збільшення площі контакту. Як видно з ріс.2.16, гідрофобність вуглеводнів зростає пропорційно площі їх поверхні. составляет около - 25 кал/А 2 . Використовуючи вандерваальсов радіус для розрахунку площі поверхні контакту між молекулами води і вуглеводнями, підрахували, що AGn epeHOC становить близько - 25 кал / А 2. Для вуглеводнів з неразветвленной ланцюгом гідрофобність становить близько - 800 кал / моль у розрахунку на одну - СНД-групу. Іншими словами, при збільшенні довжини ланцюга на два метиленових ланки константа рівноваги збільшується в 10 разів.

2. Освіта міцел

Розглянемо, що відбувається при розчиненні вуглеводнів з довгим ланцюгом у воді. Через досить несприятливих "гідрофобних" взаємодій, описаних в - попередньому розділі, їх розчинність буде дуже мала. Такі вуглеводні, як додекан, зможуть розчинятися у воді лише до певної концентрації, а вище цієї концентрації вони будуть утворювати окрему фазу. При подальшому додаванні до декана буде просто збільшуватиметься вміст додекановой фази, а концентрація додека-ну, розчиненого у воді, не зміниться.

Подивимося тепер, що відбудеться при попаданні у воду амфі-ною молекули, наприклад додецилсульфату натрію. Молекула цього типового детергенту складається з неполярної частини і з сильно зарядженої полярної групи, розташованої на одному з кінців ланцюга. Коли досягається межа розчинності мономерної форми цього детергенту, він також утворює окрему фазу. Проте в даному випадку ця "фаза" дисперговані у вигляді невеликих агрегатів, званих мицеллами, по всьому об'єму води.

Оскільки взаємодії між полярною головкою і водою є більш кращими, то енергетично вигідно, щоб ця частина молекули контактувала з водою, а її неполярная область була виключена з такого контакту. Концентрація, при якій 50 ° / о детергенту перебувають у складі міцел, називається критичною концентрацією міцелоутворення. З практичної точки зору зручніше визначати ККМ як концентрацію, при якій починають утворюватися міцели. ККМ відповідає межі розчинності молекул в мономірним стані. Подальше додавання додецилсульфату призводить до збільшення концентрації міцел.

Ліпідні агрегати або міцели можуть мати різні розміри і форму. Так, додецилсульфат утворює у воді сферичні міцели, що містять близько 60 молекул на міцели. Деякі детергенти і амфіфільні молекули можуть утворювати як глобулярні, так і циліндричні агрегати. Фосфоліпіди спонтанно агрегує з утворенням бішару, які по суті представляють собою своєрідний різновид міцел. Причини, за якими природні фосфоліпіди утворюють стабільні бішару, будуть розглянуті в наступному розділі. А тут ми проведемо кількісний аналіз зв'язку між гідрофобністю і ККМ.

Водний розчин амфіфільних сполук може складатися з суміші різних форм, включаючи мономери і різні агрегати з великої кількості молекул. У рівновазі хімічний потенціал амфіфільних сполук в кожній з форм буде однаковим:

+ jy \ n = Константа, одинаковая для всех N , кТ = ftv + jy \ n = Константа, однакова для всіх N,

- стандартный химический потенциал агрегатов, содержащих N молекул, Х\ - мольная доля амфифильных молекул в агрегатах, содержащих N молекул, к - константа Больцмана, Т - температура. де fi N - стандартний хімічний потенціал агрегатів, що містять N молекул, Х \ - мольна частка амфіфільних молекул в агрегатах, що містять N молекул, до - константа Больцмана, Т - температура. Для простоти розглянемо Монодисперсні систему з М молекулами на один агрегат. Це означає, що є тільки один тип агрегатів з N = М, що знаходяться в рівновазі з мономером. Хоча це і явне спрощення, але воно цілком прийнятно для молекул, що утворюють сферичні міцели або невеликі моноламел-лярні везикули. Тепер розглянемо умови рівноваги системи при критичній концентрації міцелоутворення і представимо ККМ як таку концентрацію, при якій Х \ = Хм:

Основний внесок у величину ДО ° иц дає вільна енергія гідрофобного переносу за рахунок витіснення води з неполярних областей амфіфільних агрегатів при формуванні міцели. „„ 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. Зверніть вніменіє, що більш негативні величини AG "" U відповідають меншим значенням А "ККМ, тобто дуже гідрофобні молекули прагнуть агрегувати при більш низьких концентраціях. Фактично для простих амфіфільних молекул з одного вуглеводневої ланцюгом, як у випадку алкілсульфатів, залежність ДО" НЦ від довжини ланцюга дуже близька до залежності ДОперенос ДЛ * алкільних ланцюгів від їх довжини. З точки зору термодинаміки перенесення неполярних груп з води в рідкий вуглеводень аналогічний їхньому перенесення у внутрішню гідрофобну область міцели. Кількісно це виражається в тому, що при кожному збільшенні довжини ланцюга на два метиленових ланки ККМ зменшується приблизно на порядок.

„„ U очень сильно благоприятствует их переходу в агрегированное состояние. У разі мембран це означає, що для природних фосфоліпі-дів, які зазвичай мають дві довгі алкільні ланцюги на молекулу, гідрофобна складова AG "" U дуже сильно сприяє їх переходу в агреговане стан. Величина

ККМ для таких ліпідів становить <10 ~ '° М. Іншими словами, в більшості випадків концентрація мономерних фосфоліпідів, що знаходяться в рівновазі з мембраною, пренебрежимо мала. Тому для зв'язування і перенесення мономерних форм ліпідів всередині клітини або між клітинами природа створила спеціальні білки.

3. Форма міцел: чому утворюється бішар?

У попередньому розділі було показано, що у водному розчині природні фосфоліпіди мимовільно агрегує. Чим же визначається форма міцел? Слід нагадати, що деякі природні ліпіди, наприклад фосфатидилетаноламін з ненасиченими жирнокислотним ланцюгами, не утворюють стабільних бішару при диспергування у воді. Щоб з'ясувати механізми, що лежать в основі стабільності бішару, і зрозуміти, чому деякі мембранні компоненти сприяють формуванню небіслойних структур, необхідно більш глибоко розглянути термодинаміку цих систем і обговорити, як форма ліпідних молекул впливає на їх упаковку в міцелах. Читачі, які цікавляться лише якісною стороною проблеми, можуть опустити цей розділ і відразу перейти до наступного.

Чому мембранні фосфоліпіди не утворюють глобулярних міцел? При обговоренні питання про упакування амфіфільних молекул в міцелах певної геометрії слід розглянути стеричні вимоги до упаковки з двох точок зору. Неполярная частина молекули характеризується певним молекулярним об'ємом і з максимальною довжиною цієї ділянки. Без урахування інших характеристик ці два параметри будуть визначати максимальний радіус сферичної міцели, а також число молекул, що входять до міцели. Інший параметр, який слід взяти до уваги, - це оптимальна площа, поверхні, займаної полярної голівкою. У природних фосфоліпідів площа, яка припадає на молекулу в якійсь сферичної міцели, буде набагато більше, ніж потрібно для оптимальної упаковки головок, і ці амфіфільні з'єднання не утворюють стабільних сферичних міцел. Ми спочатку оцінимо чинники, які визначають оптимальну площу поверхні на молекулу для амфіфільних речовин на поверхні міцели, а потім подивимося, як величина цієї площі відбивається на критичному параметрі упаковки, який визначає, яка форма міцел є більш кращою для того чи іншого амфіфільних сполук.

4. Оптимальна площа поверхні, яка припадає на молекулу

Теоретично розподіл ліпідів між різними агрегованими структурами визначається хімічним потенціалом стандартного стану молекул в кожній структурі, ц%. с учетом геометрии мицелл. Щоб продовжити розгляд, необхідно розкрити зміст параметра / i N з урахуванням геометрії міцел. и находящейся в составе мицеллы с параметром агрегации N , имеет три составляющие. Дотримуючись уявленням Ізраелашвілі та ін, приймемо, що величина хімічного потенціалу молекули, що має середню площу поверхні S і перебуває у складі міцели з параметром агрегації N, має три складові. Саме залежність ц% від середньої площі, що припадає на молекулу, дозволяє пояснити геометричну форму міцел:

Складові 1 і 2 відображають внесок сил тяжіння і відштовхування на поверхні міцели, а доданок 3 являє собою сумарну енергетичну складову, що відноситься до об'ємної фазі міцели. Фізичний сенс цих складових неважко зрозуміти. Н \ - це вільна енергія, пов'язана з алкільними ланцюгами. У першому наближенні вона однакова для всіх міцел, в яких алкільні ланцюги ізольовані від води і утворюють углеводородоподобную фазу. - Hi ), зависит от длины цепи неполярной части молекулы и тем самым определяет ККМ. Цей член, а точніше величина (Hn - Hi), залежить від довжини ланцюга неполярної частини молекули і тим самим визначає ККМ. Таким чином, величина є мірою гідрофобності.

Складові 1 і 2 відображають енергетичний внесок міжмолекулярних взаємодій на межі розділу вода-вуглеводень. Їх величина залежить від щільності упаковки ліпідних молекул в міцели, а отже, від форми міцели. Найбільш сприятлива така форма, яка мінімізує вільну енергію системи. Спробуємо зрозуміти це, виходячи з таких простих термодинамічних уявлень.

, поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Доданок 1: yS, поверхневий натяг на межі розділу фаз. Цей член, що відображає сили тяжіння, еквівалентний поверхневому натягу, стабілізуючому кордон розділу рідина-рідина в системах вода-углеводород.7 - це коефіцієнт поверхневого натягу; він має розмірність енергії в розрахунку на 1 см 2 і зазвичай дорівнює приблизно 50 ерг / см 2. Ця величина еквівалентна роботі, здійснюваній при зміні площі поверхні на 1 см 2 при поверхневому тиску 50 дин / см. Поверхневий натяг можна також розглядати як "негативний тиск", що виникає за рахунок різних сил міжмолекулярної тяжіння на межі розділу фаз. У цьому випадку воно має розмірність дина / см і становить близько 50 дин / см.

/ S , силы межмолекулярного отталкивания. Доданок 2: C / S, сили міжмолекулярної відштовхування. У першому наближенні їх можна представити як суму всіх сил відштовхування на межі розділу фаз, включаючи електростатичні і стеричні. Головною особливістю цього члена є те, що всі вхідні в нього сили відштовхування обернено пропорційні середньої площі, що припадає на молекулу на гідрофобною поверхні міцел. Іншими словами, чим щільніше упаковані молекули, тим сильнішими стають ці взаємодії і тим сприятливіше їх вплив.

Ці два доданки лежать в основі запропонованого Тенфордом принципу дії протилежних сил. Прагненню молекул до асоціації протидіють сили відштовхування, об'єднані константою С, що в кінцевому рахунку визначає оптимальну упаковку молекул в бішарі.

, отвечающую оптимальной упаковке, можно получить, положив dn %/ dS = 0, т.е. Величину S, що відповідає оптимальній упаковці, можна отримати, поклавши dn% / dS = 0, тобто мінімізувавши вільну енергію за площею поверхні, що припадає на молекулу. Це дає

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. Навіть при такому сверхупрощенном розгляді видно, що So задається молекулярної константою С. Наприклад, можна очікувати, що для додецилсульфату буде мати місце сильне електростатичне відштовхування між зарядженими сульфатними групами на поверхні міцели, і це призведе до більших значень So, особливо при низькій іонній силі. І справді, полярна головка цієї молекули займає велику площу на поверхні міцели, утримуючи групи на достатньому видаленні один від одного. Ця взаємодія і визначає сферичну форму міцел додецилсульфату. Щоб переконатися в цьому, проведемо наступний розгляд.

5. Геометрія міцел і критичний параметр упаковки

Говорячи про найбільш стабільною геометрії міцел, слід взяти до уваги три молекулярних параметра.

, оптимальная площадь поверхности, занимаемой молекулой на гидрофобной поверхности раздела. Sb, оптимальна площа поверхні, займаної молекулою на гідрофобною поверхні розділу. Вона частково залежить від властивостей розчину, особливо іонної сили у випадку заряджених молекул.

максимальна довжина алкільного ланцюга в простих амфіфільних молекулах з одним ланцюгом і в фосфоліпідах. Вона визначає верхню межу розміру міцел, наприклад радіус сферичної міцели або товщину бішару. Зверніть увагу, що міцели ніколи не мають порожнин чи дірок, тому радіус сферичної міцели не може перевищувати /, хоча і може бути менше цієї величини. Зазвичай він трохи менше довжини максимально витягнутої ланцюга, що має цілком-трансконфігурацію.

, молекулярный объем углеводородной области амфифильной молекулы. V, молекулярний об'єм вуглеводневої області амфіфільних молекули. , где М - число молекул в мицелле. Обсяг міцели, що обмежується межею поділу фаз вуглеводень-вода, вважають рівним Mv, де М - число молекул в міцели.

Площа поверхні, що припадає на одиницю об'єму, залежить від геометрії міцели, і саме цим у кінцевому рахунку визначається, які міцели утворюються різними амфіфільних сполуками. Розглянемо деякі можливі форми міцел.

Сфери. , такие, как додецилсульфат. Якщо розмір визначається довжиною вуглеводневого ланцюга, то з усіх можливих структур сфера має найбільше відношення поверхні до об'єму; до утворення міцел такої форми особливо схильні ліпіди з великою величиною So, такі, як додецилсульфат.

Деформовані сфери. Для них характерно менше значення відносини поверхню / обсяг, ніж для сфер:

а) еліпсоїди: мабуть, їх освіта малоймовірно, оскільки на деяких ділянках поверхні упаковка молекул надзвичайно невигідна;

б) глобули: складаються як би з двох злилися сфер. Їх освіта вважається досить імовірним.

Стрижні та циліндри. Характеризуються ще більш низьким відношенням поверхню / обсяг. По краях, мабуть, мають закруглення у вигляді півсфер, що дозволяють усунути контактування води з неполярної областю при збереженні прийнятної упаковки молекул. Віслою. Має найменшу ставлення поверхню / обсяг; найлегше його утворюють ліпіди з великою молекулярною обсягом. Зверніть увагу, що диски і плоскі фрагменти бішару енергетично дуже невигідні через контактування їх країв з водою. При замиканні бішару в сферичні везикули цей крайової контакт усувається. Замикання сприяє і ентропійний фактор, оскільки при цьому утворюються частинки менших розмірів, ніж протяжні плоскі фрагменти бішару. Однак деякі білки і пептиди стабілізують фосфоліпідних диски.

/ lSo , можно предсказать, какие мицеллы будут преимущественно образовываться теми или иными молекулами. Знаючи параметр v / lSo, можна передбачити, які міцели будуть переважно утворюватися тими чи іншими молекулами. Цей параметр називається критичним параметром упаковки і залежить від обсягу і довжини неполярного ділянки молекули, а також від оптимальної площі поверхні полярної голівки. , содержащую М молекул. Розглянемо, наприклад, сферичну міцели радіусом R, що містить М молекул.

= 4 rrR 2 , Полный объем мицеллы = Mv = т/? 3 , так что радиус мицеллы Повна поверхню міцели = MSo = 4 rrR 2, Повний обсяг міцели = Mv = т /? 3, так що радіус міцели

Оскільки радіус міцели не може бути більше / - максимально можливої ​​довжини вуглеводневого ланцюга ліпідної молекули, то умова упаковки ліпідів у сферичні міцели буде виглядати як

Аналогічні розрахунки легко провести також для міцел циліндричної форми і для плоского бішару. Критичні параметри в цьому випадку будуть рівні

Циліндр: = 1 / 2, бішар: = 1.

, I и So , если величина < 1: 3, то будут образовываться сферические мицеллы, если 1 /3 < v / lSo < 1 /2, то мицеллы будут глобулярными или цилиндрическими, а если 1 /2 < v / lSo < 1, то липиды будут образовывать стабильный бислой. Звідси випливає, що при заданих v, I і So, якщо величина <1: 3, то будуть утворюватися сферичні міцели, якщо 1 / 3 <v / lSo <1 / 2, то міцели будуть глобулярними або циліндричними, а якщо 1 / 2 <v / lSo <1, то ліпіди будуть утворювати стабільний бішар. Наявність двох довгих ацильних ланцюгів в природних фосфоліпідах збільшує об'ємну складову, саме це і призводить до формування стабільного бішару. / lSo лежит между 1/3 и 1/2, поэтому они не образуют стабильных бислоев. У фосфоліпідів з одним ланцюгом, якими є більшість синтетичних детергентів, параметр v / lSo лежить між 1 / 3 і 1 / 2, тому вони не утворюють стабільних бішару. З тих же причин не утворюють стабільних бішару діацільние фосфоліпіди з дуже короткими ланцюгами.

/ ISo > 1 и, следовательно, не образуют стабильных бислоев. Особливий інтерес представляє випадок, коли природні ліпіди характеризуються параметром v / ISo> 1 і, отже, не утворюють стабільних бішару. Ці ліпіди, що мають відносно невеликі полярні головки, як ми вже бачили, формують звернену гексагональну фазу. Їх роль у біологічних мембранах неясна, хоча і служить предметом активного обговорення.

6. Форма ліпідних молекул

Отже, ми почали з розгляду термодинамічних аспектів агрегації ліпідів. Однак ясно, що якісний аналіз можна провести, проаналізувавши способи упаковки різних ліпідів з урахуванням геометричної форми їх молекул. / l , с оптимальной площадью поверхности, необходимой для размещения полярной головки So . Це чітко видно при зіставленні загальної форми ліпідних молекул, зокрема при порівнянні площі поперечного перерізу вуглеводневої ділянки молекули, приблизно рівної v / l, з оптимальною площею поверхні, необхідної для розміщення полярної головки So. Такий підхід ми використовували, коли аналізували відмінності в характері упаковки фосфатидилетаноламін і фосфатидилхоліну в кристалах і в фазі гелю бішару. Спрощено ліпідні молекули можна представити у вигляді конусів, циліндрів або перевернутих конусів в залежності від співвідношення між цими двома величинами.

На ріс.2.18 схематично показані всі ці форми і наведені конкретні приклади. Звичайно, це - образне представлення результатів термодинамічного аналізу, проведеного в попередніх розділах, але воно дозволяє легко осмислити хоча б на якісному рівні великий масив експериментальних даних. На основі простого розгляду форми ліпідних молекул можна зрозуміти роль окремих ліпідів у бішарі наприклад у відношенні стабілізації ділянок мембрани з великою кривизною і упаковки молекул навколо мембранних білків.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
48.9кб. | скачати


Схожі роботи:
Типи організаційних структур управління Основні принципи побудови організаційних структур
Термодинаміка 2
Термодинаміка
Хімічна термодинаміка
Хімічна термодинаміка 2
Статистична термодинаміка
Термодинаміка і синергетика
Термодинаміка-топологічний аналіз
Фізика механіка і термодинаміка
© Усі права захищені
написати до нас