Полиморфизм липидов - Lipid polymorphism

Поперечный разрез структур, которые могут быть образованы фосфолипидами в водных растворах.

Полиморфизм в биофизике - это способность липидов объединяться различными способами, приводя к образованию структур различной формы, известных как «фазы». Это может быть сфера из липидных молекул ( мицелл ), пары слоев, которые обращены друг к другу (ламеллярная фаза, наблюдаемая в биологических системах как липидный бислой ), трубчатое расположение ( гексагональное ) или различные кубические фазы (Fd 3 m, Im 3 m, Ia 3 m, Pn 3 m и Pm 3 m, которые были обнаружены на данный момент). Наблюдались также более сложные агрегаты, такие как ромбоэдрические , тетрагональные и ромбические фазы.

Он составляет важную часть текущих академических исследований в области биофизики мембран (полиморфизм), биохимии (биологическое воздействие) и органической химии (синтез).

Определение топологии липидной системы возможно с помощью ряда методов, наиболее надежным из которых является дифракция рентгеновских лучей . При этом используется пучок рентгеновских лучей, которые рассеиваются образцом, образуя дифракционную картину в виде набора колец. Отношение расстояний этих колец от центральной точки указывает, какая фаза (ы) присутствует.

На структурную фазу агрегации влияет соотношение присутствующих липидов, температура, гидратация, давление и ионная сила (и тип).

Гексагональные фазы

Основная статья: Гексагональная фаза

При липидном полиморфизме, если коэффициент упаковки липидов больше или меньше единицы, липидные мембраны могут образовывать две отдельные гексагональные фазы или неламеллярные фазы, в которых образуются длинные трубчатые агрегаты в соответствии с окружающей средой, в которую введен липид.

Гексагональная фаза I (H I )

Эта фаза предпочтительна в растворах моющего средства в воде и имеет коэффициент заполнения менее единицы. Популяция мицелл в смеси детергент / вода не может неограниченно увеличиваться при увеличении отношения детергента к воде. В присутствии небольшого количества воды липиды, которые обычно образуют мицеллы, будут образовывать более крупные агрегаты в форме мицеллярных канальцев, чтобы удовлетворить требованиям гидрофобного эффекта. Эти агрегаты можно рассматривать как слитые вместе мицеллы. Эти трубки имеют группы полярных головок, обращенные наружу, и гидрофобные углеводородные цепи, обращенные внутрь. Эта фаза наблюдается только в уникальных специализированных условиях и, скорее всего, не имеет отношения к биологическим мембранам.

Гексагональная II фаза (H II )

Молекулы липидов в фазе HII упаковываются обратно по отношению к упаковке, наблюдаемой в гексагональной фазе I, описанной выше. Эта фаза имеет полярные головные группы внутри и гидрофобные углеводородные хвосты снаружи в растворе. Коэффициент упаковки для этой фазы больше единицы, что является синонимом упаковки обратного конуса.

Формируются протяженные массивы длинных трубок (как в гексагональной фазе I), но из-за способа упаковки полярных головных групп трубки принимают форму водных каналов. Эти массивы могут складываться вместе, как трубы. Такой способ упаковки может оставить конечную гидрофобную поверхность, контактирующую с водой на внешней стороне массива. Однако энергетически выгодная упаковка, по-видимому, стабилизирует эту фазу в целом. Также возможно, что внешний монослой липидов покрывает поверхность коллектора пробирок для защиты гидрофобной поверхности от взаимодействия с водной фазой.

Предполагается, что эта фаза образована липидами в растворе, чтобы компенсировать гидрофобный эффект. Плотная упаковка головных липидных групп снижает их контакт с водной фазой. Это, в свою очередь, уменьшает количество упорядоченных, но несвязанных молекул воды. Наиболее распространенные липиды, образующие эту фазу, включают фосфатидилэтаноламин (ПЭ), когда он имеет ненасыщенные углеводородные цепи. Дифосфатидилглицерин (DPG, иначе известный как кардиолипин) в присутствии кальция также способен образовывать эту фазу.

Методы обнаружения

Есть несколько методов, используемых для определения того, какая фаза присутствует при нарушениях липидов. Эти возмущения включают изменения pH, изменения температуры, изменения давления, изменения объема и т. Д.

Наиболее распространенным методом, используемым для изучения присутствия фосфолипидной фазы, является ядерный магнитный резонанс фосфора (31P ЯМР). В этом методе наблюдаются различные и уникальные картины дифракции порошка для ламеллярной, гексагональной и изотропной фаз. Другие методы, которые используются и предлагают окончательные доказательства существования ламеллярных и гексагональных фаз, включают электронную микроскопию замерзания-разрушения, дифракцию рентгеновских лучей , дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК) и ядерный магнитный резонанс дейтерия (2H ЯМР).

Инвертированная гексагональная фаза H-II (H), инвертированная сферическая мицеллярная фаза (M), ламеллярная липосомная фаза (le) структуры в выдержанных на холодах водных дисперсиях общего липидного экстракта тилакоидных мембран шпината, исследованные путем отрицательного окрашивания (2% фосфорновольфрамовая кислота) просвечивающая электронная микроскопия.

Кроме того, просвечивающая электронная микроскопия с отрицательным окрашиванием была показана как полезный инструмент для изучения фазового поведения липидного бислоя и полиморфизма в ламеллярную фазу , мицеллярную, однослойную липосомы и гексагональные водно-липидные структуры в водных дисперсиях мембранных липидов . Поскольку водорастворимая негативная окраска исключена из гидрофобной части (жирных ацильных цепей) липидных агрегатов, гидрофильные головные части липидных агрегатов окрашиваются в темный цвет и четко обозначают контуры липидных агрегатов (см. Рисунок).

Смотрите также

использованная литература

  • Дж. М. Седдон, Р. Х. Темплер. Полиморфизм систем липид-вода , из Справочника по биологической физике, Vol. 1, изд. Р. Липовски и Э. Сакманн. (c) 1995, ISBN   Elsevier Science BV 0-444-81975-4
  • Йигл, П. (2005). Строение биологических мембран (2-е изд.). США: CRC Press.
  • Йигл, П. (1993). Мембраны клеток (2-е изд.). Мичиган: Academic Press.
  • Геннис, РБ (1989). Биомембраны: молекулярная структура и функции. Мичиган: Спрингер-Верлаг.