Шпора 2 (Шпаргалки по биофизике), страница 3

Уравнение Хилла

Хотя это уравнение выведено для случая полной кооперативности, графиком Хилла пользуются и для анализа процессов, кооперативность которых не является полной. В этом случае кооперативность характеризуется коэффициентом Хилла h, который равен максимальному тангенсу угла наклона.

График Хилла для насыщенного гемоглобином кислорода

Связывание кислорода с гемоглобином, имеющим 4 центра связи, характеризуется параметром Хилла h=2,9. Уравнение хорошо описывает связывание от 10 до 80% насыщения углеродом (прямолинейный участок на последнем графике).

По коэффициенту Хилла судят о степени кооперативности процесса. Если h=1, то кооперативность отсутствует (как у миоглобина), если h<1, то говорят об отрицательной кооперативности, т.е. происходит уменьшение степени сродства по мере заполнения центра. Кооперативное связывание лигандов лишь дин из примеров кооперативных процессов в биофизике. К их числу относится плавление ДНК, обратимая денатуризация белков, фазовые переходы в мембранном слое.

Отметим физические процессы, приводящие к высокой степени кооперативности связывания кислорода с гемоглобином. Свободный и связанный гемоглобин отличается характером заселённости, электронных орбиталей, комплекса Гем (комплекс Гем является кофактором, в центре которого 2-х валентное железо).

Уменьшение спина приводит к уменьшению ионного радиуса и его структура становится более компактной. В результате происходит более плотная упаковка макромолекулы Hb(O₂)₄, в результате которой затрачивается длинный фрагмент макромолекулы оксидированного гемоглобина. Механизм оксидинации гемоглобина является примером электронно-конформационных взаимодействий (ЭКВ), характерных для большинства биополимеров. Суть концепции ЭКВ состоит в том, что в макромолекуле осуществляется сопряжение электронных процессов с конформационными (структурная перестройка).

3. Фазовые переходы в липидном бислое.

Совокупность экспериментальных данных показывают, что в мембране липидный бислой находится в двух состояниях: либо в состоянии твёрдого двумерного кристалла, либо – бесконечно жидкой плёнки (жидкокристаллическое состояние). Обычно говорят о твёрдом и жидком состоянии бислоя. В обоих состояниях сохраняется бимолекулярная структура липидной фазы и молекулы фосфолипидов имеют плотную (гексагональную) упаковку в плоскости мембраны. Но плотности всё же различаются в твёрдом и жидком состояниях. Жидкие и твёрдые состояния отличаются также по вязкости, теплоёмкости, диэлектрической проницаемости и другим параметрам.

Соотношение между жидкой и твёрдой фазами, измеряются при нагреве, и температуру, при которой половина молекул фосфолипидов, входит в состав жидкого слоя, а половина состав твёрдого слоя называется температурой фазового перехода или температурой плавления.

При охлаждении органов и тканей до температуры ниже -10⁰С..-30⁰С в их мембранах происходит последовательное вымораживание тех липидов, для которых температура плавления оказывается выше температуры окружающей среды. То есть при охлаждении образуются твёрдые участки бислоя (домены), которые имеют уже другой химический состав, чем жидкие участки. При этом растворённые в мембране низкомолекулярные соединения и белки вытесняются в жидкокристаллические области. Эти явления часто носят необратимый характер и приводят к снижению жизнеспособности клетки при консервации низкими температурами.

Фазовые переходы в бислое носят кооперативный характер. При этом процесс происходит одновременно в участке мембраны, содержащей несколько фосфолипидных молекул. Число молекул, входящих в такой участок называют размером кооперативной единицы.

Исследования фазовых переходов и оценка размеров кооперативной единицы при плавлении фосфолипидного слоя проводятся в основном методом микрокалориметрии, с помощью приборов, называемыми дифференциальными сканирующими микрокалориметрами, измеряется теплоёмкость суспензии фосфофолипидов при разных температурах в области фазового перехода. Типичная кривая температурной зависимости теплоёмкости для синтетических фосфолипидов выглядит следующим образом:

Влияние холестерина на выраженность фазового перехода в суспензии липосомов

Цифры на кривых – содержание холестерина в молярных процентах. В норме холестерин составляет 40-50%.

В области фазового перехода происходит резкое повышение теплоёмкости, максимум которой соответствует температуре плавления, площадь под кривой даёт количество тепла, поглощённого при переходе твёрдого в жидкое состояние.

К₁

А _ТВ А_Ж

К₂

2. Строение биологической мембраны.

Структурную основу любых классов мембран составляет фосфолипидный бимолекулярный слой. Именно этот слой выполняет в мембране барьерную функцию для ионов и функцию матрицы для мембранных ферментов, рецепторов и других, встроенных в мембрану белков и липидов.

Строение бимолекулярного слоя мембраны

Мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов, каждый из которых имеет полярную головку (П) и неполярный гидрофобный хвост (Г), ПБ – периферические белки, ИБ – интегральные белки. В тех случаях, когда ИБ пронизывают бислой, они могут образовывать каналы для ионов для ионов малых молекул.

Белки мембран могут находиться на поверхности бислоя, удерживаемые электростатическими силами (ПБ), либо проникать глубоко в бислой и даже пронизывать его. В последнем случае они связаны с липидами прочными гидрофобными взаимодействиями. Молекулы фосфолипидов, входящие в состав мембран, имеют полярно-гидрофильные и неполярно-гидрофобные участки. По своей форме эти молекулы похожи на сплющенные цилиндры, около 0,25 которого гидрофильны, а 0,75 – гидрофобны.

Структура молекулы фосфотидилхолина

В водном растворе такие молекулы фосфолипидов самопроизвольно собираются вместе так, что гидрофобные участки закрыты от контакта с водой, а полярные группы выставлены наружу в водное окружение. В результате происходит образование сплошного бимолекулярного слоя.

Самосборка молекул фосфолипида в воде

Многие свойства мембран, не связанные с ферментативной активностью, удаётся моделировать на искусственной липидной мембране. При этом пассивные физические свойства искусственной мембраны близки к свойствам естественной мембраны.