Лекции Рубина (1123233), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Трансмембранные7-переходы липидов из одного слоя в другой (флип-флоп переходы) происходят намного медленнее('tтрансмембр~1000с). Подвижность молекулбелков в мембранах намного меньше ( 'tвращ ~ 10-4 - 1о- 6 с, D ~ 10- 10 - 10- 12см /с). Вязкость углеводородной зоны мембран составляет, как правило,1 - 2 пуаз, что говорит о ее жидкофазном состоянии, хотя и превышает2на два порядка вязкость воды. Прочность мембран зависит от химического состава, внешних условий и может нарушаться за счет локальныхмеханических дефектов, возникающих при сжатии. Среднее время жизниБЛМ в электрическом поле падает при увеличении напряжения на мембране (электрический пробой мембраны). Энергия мембраны зависит отповерхностного натяжения, т. е.
от работы, которую нужно затратить наобразование1 см2поверхности липидного слоя. Если в мембране появ-ляется дефект типа сквозной поры, то энергия мембраны будет зависетьот ее радиуса. Энергия уменьшится на величину, равную суммарномуповерхностному натяжению на площади, занятой порой, а также за счетизменения электрическойемкости мембраны при появлениивнейструктурного дефекта. В результате оказывается, что зависимость энергии мембраны от радиуса дефекта имеет вид кривой с максимумом (рис.13.2).Видно, что дефекты малого радиуса будут исчезать, однако дефекты с радиусом, большим критического (<ро), будут необратимо увеличиваться, приводя к разрыву мембраны.
Величина критического радиусауменьшается с ростом наложенной на мембрану разности потенциалов,чем и объясняется увеличение вероятности механического разрыва мембран в электрическом поле.Физико-химические свойства мембран сильно зависят от фазовогосостояниялипидов,котороеменяетсяпридостижениикритическихтемпературных значений фазового перехода. Температура фазового перехода увеличивается с увеличением длины цепи и уменьшается с увеличением числа двойных связей жирнокислотных остатков.Обычно вестественных условиях большинство природных липидов, содержащихненасыщенные связи, находится в "жидком" состоянии. Точка фазовогоперехода для них лежит в области отрицательных температур.
В гелеподобном состоянии углеводородные цепи находятся в трансконформации,133Рис.13.2. Зависимость энергии дефекта в мембране E(r) от егоr в отсутствии электрического поля и при наложении разности потенциалов <р. 1 - при <р =О, 2 - при <р > О; вверху справа -радиусаизображение поры в бислоеа в жидкоподобномони разупорядочены. При плавлении углеводород-ная цепь частично искривляется с образованием петли, или кинка (рис.13.3).Увеличение числа кинков способствует разупорядоченности углеводородной зоны. Кинк может смещаться вдоль углеводородной цепи засчет120°синхронногоповоротанац;;;;;.-f={-"соответствующей последовательности С-перемещениеС-связей. Подобноекинкаявляетсясвоеобразной диффузией свободногообъема,можетвнутрипроисходитьлых молекул черезкоторогоперенострансгошную зону.окислениелипидов.
Этот процесс, идущий сучастиемиграетсвободныхбольшую1радикалов,роль,физико-химическоеизменяясостояниеицисгтранч·гошroш."-мауглеводородПерекисное~Рис.---tJ~~-- --13.3.пшСхематическое изображение углеводородных цепей в полносвойства мембран. Свободнорадистью трансконфигурации (Ш).кальные продуктыКинк-блоки в углеводородныхрезультате134образуются вдиссоциацииС-Н-цепях мембрансвязей, особенно если они расположены в соседнем положении с двойной связью.
Перекисное окисление инициируется при действии активных форм кислорода (радикалы О·Н, НО2, синглетный кислород 02),1которые вступают во взаимодействие с жирнокислотными цепями, отрывая от них водород. В результате на начальном этапе образуются свободнорадикальные продуктыR-, которые затем реагируют с кислородом.Эта реакция приводит уже к появлению гидроперекисейR+02~ R0·2=~ROOH.Как видно, этот процесс сопряжен с отрывом водорода Н от субстрата RН и присоединением Н· к радикалуR0·2.В итоге исходный свободнорадикальный инициирующий центр вновь регенерируется, даваятем самым начало цепному окислению липидов. Сами свободнорадикальные продукты могут погибать в реакциях рекомбинации или за счетдействия антиокислительных защитных соединений.
К последним относятся соединения фенольного типа (токоферол) или вещества, взаимодействующие с активными формами кислорода. Например, 13-каротин, атакже а-токоферол эффективно тушат синглетный кислород, дезактивируяегосинглетно-возбужденноесостояние.Другиеантиокислителиоказывают защитное химическое действие, так как, взаимодействуя с02,они сами подвергаются окислению.В биологических мембранах перекисному окислению подвергаются в основном непредельные фосфолипиды. В результате окислениялипидов увеличивается вязкость мембран, так как при этом уменьшаетсяколичествожидкихмежмолекулярныегидрофобныхсшивкилипидов,и увеличиваетсяпоявляютсяколичествопоперечныеупорядоченныхлипидов с ограниченной подвижностью.
В процессе перекисного окисления появляющиеся свободные радикалыR-, R0·2,могут рекомбинировать друг с другом с выделением большой порции энергии(~ 70 - 100ккал/моль). Этого достаточно для перевода продуктов реакции в электронное возбужденное состояние. Последующий переход возбужденныхпродуктоввосновноесостояниеможетсопровождатьсяиспусканиемкванта света хемилюминесценции.Ионные равновесия. Движущей силой диффузии через мембрануявляется разность химических потенциалов(µ)этого вещества междуобластями, разделенными мембраной. Напомним (лекция5),что химический потенциал равенµ=µо+RT lnС,(13.1)где µо - стандартный химический потенциал, С - концентрация вещества. Если происходит перенос ионов, то их движение зависит не только отконцентрации, но и от электрического потенциала( <р)на мембране.
Вэтом случае пользуются понятием электрохимического потенциала(µ)135jl= jlo + RT ln C+ZF<p,гдеZ- валентностьиона,(13.2)F-число Фарадея(96500Кулон/моль). Непосредственно движущей силой переноса ионов является градиент электрохимического потенциалаdjl ldx.Основной энергетический барьер,который стоит на пути проникновения ионов в липидную мембрану изводной фазы, возникает из-за того, что диэлектрическая постояннаялипидовs~2 - 3,а в водеsзаряженной частицы радиусаЕ= е~ 81.
Вследствие этогоr и заряда е, равная2/2sr,энергия иона как(13.3)повышается в липидном слое. Отсюда следует, что коэффициент распределения концентраций иона между водной и липидной фазами долженбыть очень мал:(13.4)где слип, Снр - концентрации иона в фазах у самой границы раздела.Рассмотрим распределение электролита А+ В- между липидной (2)и водной (1) фазами, у которого анион В- и катион А+ обладают разнойлипофильностью (пусть липофильность аниона В- выше). Вблизи границы раздела концентрации анионов В- в липидной фазе несколько превысит содержание анионов А+. Поэтому около границы раздела неполярнаялипидная фаза(2)несет отрицательный заряд и имеет более низкийпотенциал, чем водная фаза(1).Однако в областях, далеких от поверхно-сти раздела, концентрации А+ и В- равны, т.
е. соблюдается условиеэлектронейтральности объемов фаз Сл= Св. В целом концентрация обо-их видов ионов А+ и В- ниже в фазе (2) вследствие различий в диэлектрических проницаемостях.136ап1--------[АоРис13.4 Профили распределения+1т20пхпотенциала и концентрации ионовА+ и в- на границе раздела фаз 1 и 11. Фаза 1 - водный раствор (s2 = 2+3),а - распределение потенциала ( <р), бкатионов и анионов. С1, С2--распределение концентраций (С)концентрации электролитов в объеме фази111.137На рис.
13.4 показаны профили распределения концентраций А+ иВ- и профиль электрического потенциала вблизи поверхности разделафаз. Как видно, в областях вблизи поверхности раздела имеются диффу-зионные слои, в каждом из которых концентрации А+ и В- неодинаковыи условие электронейтральности вблизи границы раздела не соблюдается. Соотношение концентраций электролита в двух фазах можно получить из условия равновесия на границе раздела фазµ~~ +RTin dл J1=µШ + Rт in с~ )2(13.5)Здесь члены F<p1 и F<p2 отсутствуют, таккакна самойгранице потенциалы фаз равны <р1°= <р2°= <ро.
Огсюда с учетом выраже2ния (13.4) ул= С~ ) f C~l) найдем, ЧТО ДЛЯ УА, а также аналОГИЧНО ДЛЯ Ув(13.6)гдеПри условии электронейтральности каждой фазыС21ln.- = - ( ln Ул++ ln у8-).С!2или(13.7)Отношение концентраций электролита в фазах зависит от ул+ и у8-. Величина разности потенциалов Л<р = <р1- <р2 между фазами зависит от разностиэлектрохимическихпотенциаловобоихвидовиона.Можнопоказать, что при условии электронейтральности каждой фазы(13.8)Таким образом, из выражения(13.8)следует, что межфазная разность потенциалов возникает, только если коэффициенты распределения138катионов и анионов различны (УА =F- ув). Характер падения потенциалавблизи границы зависит от распределения ионов в двойном электрическом слое в толще мембраны. Анализ показывает, что значение электрическогопотенциалавблизиграницыотносительнообъемафазыизменяется экспоненциально с расстоянием вдоль координаты х в толщемембраны(13.9)где(<ро -значение потенциала на границе раздела, х- константа,зависящая от концентрации ионов в данной фазе и диэлектрической проницаемости.Основноерасстоянииx=Ilx,падениепотенциала(вераз)происходитнакоторое характеризует толщину двойного диффузионного слоя.
Величина Л=l/х называется длиной экранирования. Она падаетприувеличенииконцентрацииэлектролитавданнойфазе.Вразбавленных растворах толщина двойного диффузионного слоя достигает сотен ангстрем, а в концентрированных растворах-единиц ангстрем.Это значит, что в липидном слое, где концентрация ионов на несколькопорядков меньше, чем в водной среде, длина экранирования намногобольше. В случае тонкой мембраны, толщина которой намного меньшедлины экранирования, скачок потенциала внутри мембраны практическиотсутствует. В отсутствии внешнего поля потенциал внутри тонкой мембраны постоянен по всей ее толщине (рис.13.5).Поэтому значения потенциала в тонкой незаряженной мембране не отличаются от уровняпотенциала окружающих растворов на любом удалении от мембраны.Именно такая ситуация имеет место в незаряженных бислойных липидных мембранах, толщина которых составляет70 - 100 А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
