17. Текучесть липидного бислоя. Микровязкость мембран. Уравнения Стокса – Эйнштейна. Фазовые переходы в мембране. Значимость жидко – кристаллического состояния мембран для их функционирования.

Гидрофобный эффект препятствует выходу молекулярных компонентов мембраны в водную фазу за пределы мембраны. В то же время силы межмолекулярного взаимодействия не мешают молекулам в мембранах обмениваться местами друг с другом. Наиболее распространенными типами движения липидов в мембране являются: латеральная миграция (диффузия) в пределах монослоя; вращение молекул липидов вокруг собственных осей; движение хвостов молекул липидов; переход молекул липидов из одного монослоя в другой (флип-флоп переход).

Под латеральной миграцией понимают перемещение молекул в плоскости мембраны. В жидкокристаллической структуре эти молекулярные перемещения совершаются скачками. Между частотой (V) таких перемещений, площадью (S), занимаемой молекулой в мембране и квадратом среднего расстояния (X²), которое проходит молекула за время t, установлены следующие соотношения:

и ,

Где D – коэффициент латеральной диффузии молекулой, измеряемый в м²/с.

Молекулы липидов способны вращаться вокруг своих продольных осей. Скорость вращательного движения довольно велика.

Кроме того, большой гибкостью обладают и углеводородные цепи фосфолипидов. Максимальная подвижность хвостов липидов наблюдается в центре бислоя, а раименьшая – около полярной головки липида.

Следующим, наиболее ограниченным, типом перемещения в мембране молекул липидов является флип-флоп перемещение из одного монослоя мембраны в другой.

Белковые молекулы, связанные с липидным бислоем, способны вращаться вокруг собственной оси, перемещаться в плоскости липидного бислоя. Однако, в силу энергетических причин, они не способны переходить из одного монослоя в другой.

Коэффициент диффузии белков (D_б) рассчитывается по уравнению:

,

Где D_л – коэффициент диффузии липидов, F_л и F_б – площади, занимаемые в мембране липидами и белками.

При физиологических условиях мембранные системы проявляют свойства двумерной жидкости. Вязкость этих сред формально можно определить исходя из уравнения Стокса – Эйнштейна:

,

Где r – радиус диффундирующей молекулы.

При понижении температуры до определенного значения, искусственный липидный бислой переходит из жидкого состояния в гелеобразное. Такое изменение состояния липидного бислоя называется фазовым переходом. В момент фазового перехода значительно увеличивается подвижность липидов и, как результат, изменяется проницаемость мембран для веществ и ионов.

Фазовый переход липидов является эндотермическим процессом. Липидным структурам присущ литропный мезоморфизм и термотропный мезоморфизм. Оба свойства связаны между собой. Фазовый переход липидов осуществляется при температуре, значение которой зависит от содержания воды в системе.

В природных мембранах температура фазового перехода определяется физическими и химическими характеристиками жирных кислот. Дело в том, что температура плавления жирной кислоты находится в обратной зависимости от степени ненасыщенности. Чем больше ненасыщенных кислот, тем более она легкоплавка.

На температуру плавления жирной кислоты оказывает влияние длина углеводородной цепи, а также число атомов углерода в цепи.

Исследования на модельных мембранах позволили понять зависимость температуры фазовых переходов мембранных липидов от химических особенностей входящих в их состав жирных кислот.

Оказалось, что цепи жирных кислот, не имеющие двойных цис-связей, легко укладываются параллельно друг другу и образуют кристаллические структуры. Двойные цис-связи создают изгиб в алифатической цепи, который мешает плотной упаковке молекул в бислое, так как увеличиваются межмолекулярные расстояния, что снижает эффективность гидрофобных взаимодействий между соседними хвостами липидов.

Способность к кристаллизации возрастает с увеличением длины углеводородных хвостов липидов, так как в этом случае, напротив возрастает эффективность межмолекулярных взаимодействий между ними.

В природных мембранах, содержащих различные липиды и белки, трудно ожидать проявления в чистом виде эффектов, связанных с фазовыми превращениями липидов при чётко выраженной температуре.

Таким образом, многокомпонентная система не только не плавится в широком температурном интервале, но и при разных температурах имеет разный состав жидких и твердых фаз.

Биологическое значение этой особенности очевидно. Если бы липидные бислои были образованы липидами только одного типа, то мембраны обладали бы строго определенной температурой плавления и могли бы отвечать на колебания температуры изменением фазового состояния только по принципу все или ничего. Благодаря многокомпонентному составу, мембраны клеток могут претерпевать постепенные изменения фазового состояния в широком интервале температур, обеспечивая тем самым более тонкий контроль над функциями клеток.