Лекция 02 Строение и свойства липидного бислоя мембран

Липидный состав мембран эритроцитов (Котык А. и Яначек К. “Мембранный транспорт, Москва, “Мир”, 1980 г. , стр. 45). Фосфолипидный состав тканей мозга и почек человека (Котык А. и Яначек К. “Мембранный транспорт, Москва, “Мир”, 1980 г. , стр. 44). © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Химическое строение фосфолипидов Основа молекулы – глицерин. © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Химическое строение фосфолипида Основа молекулы – глицерин. Жирная кислота – R 1 Жирная кислота – R 2 Диглицерид Если две спиртовые группы образуют сложно-эфирные связи с жирными кислотами образуется диглицерид © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Химическое строение фосфолипида Основа молекулы – глицерин. Триглицерид Жирная кислота – R 1 Жирная кислота – R 2 Диглицерид Если две спиртовые группы образуют сложно-эфирные связи с жирными кислотами образуется диглицерид © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ) Если сложно-эфирные связи с жирными кислотами образуют все три гидроксильные группы глицерина, мы получим триглицерид, или нейтральный жир.

Фосфолипиды – это фосфатидилы Но если к молекуле диглицерида присоединится ортофосфат, образуется фосфатидная кислота. Фосфолипиды – это соединения фосфатидной кислоты с небольшими органическими молекулами. Жирная кислота – R 1 Жирная кислота – R 2 Диглицерид © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Фосфолипиды – это фосфатидилы Но если к молекуле диглицерида присоединится ортофосфат, образуется фосфатидная кислота. Фосфолипиды – это соединения фосфатидной кислоты с небольшими органическими молекулами. Фосфатидная кислота Ортофосфат Жирная кислота – R 1 Жирная кислота – R 2 Диглицерид © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ) R 2 R 1

Фосфолипиды – это фосфатидилы Но если к молекуле диглицерида присоединится ортофосфат, образуется фосфатидная кислота. Фосфолипиды – это соединения фосфатидной кислоты с небольшими органическими молекулами. Фосфатидная кислота Фосфатидил-этаноламин Ортофосфат Жирная кислота – R 1 Жирная кислота – R 2 Диглицерид © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ) Этаноламин R 2 R 1

Амфифильные молекулы Липидные бислои образуются амфифильными молекулами фосфолипидов и сфингомиелина в водной фазе. Амфифильными эти молекулы называют потому, что они состоят из двух частей, различных по своей растворимости в воде: полярной “головки”, обладающей высоким сродством к воде, т. е. гидрофильной, и “хвоста” образуемого неполярными углеводородными цепями жирных кислот; эта часть молекулы обладает низким сродством к воде, т. е. гидрофобна. O O C C O Углеводородные цепи жирных кислот O O O- I P=O O глицерин фосфат + 3 этаноламин NH Полярная "головка" Липидный слой мембраны © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ) Водный раствор

Липидные монослои на границе раздела фаз © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Схема ванны Ленгмюра DS p p © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Кривые площадь — давление f - разрушение пленки (коллапс) p - давление e - область твердой пленки d - фазовый переход b - область конденсации газа c - жидкая пленка A - площадь Направление сжатия © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ) a - область двумерного «газа»

Влияние химического состава на поведение монослоев липидов • • • С – Холестерин 1 – 19 -норхолестерин 2 – 16: 0/18: 1 с-лецитин 3 – 2+53, 9 мол. % С 4 – 2+53, 9 мол. % 1 (Ивков, т. 1, с. 59, р. 27) «Твердая» пленка © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ) «Жидкая» пленка

Форма молекул липида при разных состояниях монослоя 50 А Твердое состояние p (дин/см) 40 Фазовый переход 30 Б Жидкое состояние 20 10 40 80 Площадь на молекулу (A 2) © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ) 120 o

Кривые давление площадь при разных температурах (o. C) 1 – 6, 2 2 –

Плавление монослоя Tc © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Липидные везикулы (липосомы) © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Липосома В водных растворах фосфолипидные молекулы самособираются в бислойную мембрану (справа). 2 3 1 3 2 4 А затем происходит замыкание мембран с образованием липидных пузырьков, называемых липосомами (слева). © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Роль поверхностного натяжения А Мембранная везикула Б Поверхностное давление © 2012 Ю. А. Владимиров

Атомная структура липидных бислоёв по данным рентгеновской кристаллографии © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ

Структура бислоев ди-лауроил-фосфатидилэтаноламина (по результатам РСА кристаллов). На рисунке приведены результаты рентгеноструктурного анализа кристаллов дилауроилфосфатидилэтаноламина (ДЛФЭ). В таких кристаллах молекулы фосфолипида располагаются в виде чередующихся бимолекулярных слоев. © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Рис. 13. Структура молекулы ДЛФЭ в бислое Если внимательнее рассмотреть строение отдельной молекулы, то видно, что атомы кислорода (O 11 - O 22) , фосфора (P) и азота (N) сгруппированы в районе "полярной головки", а основная масса атомов углероды образует две углеводородные цепи "жирного хвоста" фосфолипидной молекулы (Ивков , 1, р. 10 А, с. 36). © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Упаковка молекул в кристалле 1, 2 -дилауроилфосфатидил-этаноламина (по данным РСА) Если рассматривать пространственную структуру дилауроил-фосфатидил-этаноламина (ДЛФЭ) в плоскости слоев липидных молекул), то видно, что молекулы образуют в плане мембраны регулярную структуру. Однако при детальном воспроизведении положения каждого атома картина получается довольно сложной. (Ивков, 1, с. 36, рис. 10 B) Эту картину можно упростить, если дать очень грубое разрешение (см. следующий слайд). © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Упаковка фосфолипидных молекул в мембране При грубом разрешении регулярная структура упаковки жирнокислотных цепей фосфолипидных молекул видна лучше. (Ивков, т. 1, c. 44, р. 16) [3, 12] Характер этой упаковки может изменяться, например, при изменениях температуры. Перестройки в двумерной кристаллической решетке фосфолипидов происходят кооперативно. Более подробно о кооперативных структурных перестройках в мембранах речь пойдет в лекции «Фазовые переходы в липидном бислое» . © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Расположение лецитина в мембране Молекулы фосфолипидов обычно бывают вытянуты под некоторым углом к плоскости мембраны, как это видно на рисунке. Здесь кружочки показывают расположение отдельных атомов: а - азот, б - фосфор, в - кислород, г углерод. Пунктиром показан профиль электронной плотности одного монослоя в мембране по данным РСА. (Ивков, т. 1, стр. 40, рис. 12). Впрочем угол наклона различается для разных фосфолипидов и может изменяться при структурных перестройках липидного бислоя. © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Расположение молекул липидов в мембране На этом рисунке, наряду с ДЛФЭ, дана структура четырех других мембранных липидов. Черные точки — три атома углеродного скелета глицерола и сфингозина. © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ)

Физические свойства липидного бислоя Основные свойства бислоя 1. Подвижность липидных молекул в мембране 2. Микровязкость 3. Полярность 4. Поверхностный заряд © 2012 Ю. А. Владимиров (ФФМ МГУ) Основные методы иследования 1. Ядерный магнитный резонанс 2. Электронный парамагнитный резонанс (спиновые зонды) 3. Флуоресцентные зонды 4. Светорассеяние