Следует отметить, что на температуру фазового перехода большое влияние оказывают структура липидной молекулы, длина углеводородного скелета, наличие цис- и транс-двойных связей, структура полярных групп.

При переходе в жидко-кристаллическое состояние имеет место несколько одновременных событий: возрастает подвижность полярных групп липидов, увеличивается вращательная подвижность жирнокислотных радикалов относительно С–С-связей, увеличивается скорость латеральной диффузии. Это приводит к изменению геометрических размеров бислоя из-за латерального расширения площади, занимаемой каждой молекулой липида. Например, площадь, занимаемая 2С]6-фосфати-дилхолином, меняется от 0,49 до 0,58 нм, среднее расстояние между цепями увеличивается от 0,49 до 0,52 нм, а толщина углеводородного скелета уменьшается почти на 0,5 нм, т.е. латеральное расширение компенсируется утончением слоя. Гидрофобный объем мембраны увеличивается примерно на 1,5%.

В результате этих и ряда других изменений состояния липидов в мембране создаются особые условия для проникновения гидрофобных вешеств, изменения работы ионных каналов, внедрения в мембрану различных белков.

Микрогетерогенность бислоя и образование в нем кластеров молекул липидов способствует проявлению такого явления, как разделение фаз в мембране. Латеральное разделение липидных молекул в плоскости бислоя – важная особенность мембраны. Особая сегрегирующая роль в мембране принадлежит холестерину. При низких концентрациях его в мембране происходит латеральное разделение фосфолипид-холе-стсриновых комплексов и свободных молекул фосфолипидов. При этом холестерин взаимодействует в первую очередь с теми молекулами фосфолипидов, которые имеют низкую температуру фазового перехода. Благодаря этому в бислое будут существовать области только жидкие и только твердые, а также области, где обе фазы сосуществуют. Наличие таких жидких и твердых областей в пределах мембраны изменяет ее сжимаемость, что сказывается на глубине погружения мембранных белков и на эффективности работы мембранных насосов.

Необходимо отметить, что кроме сегрегирующего холестерин проявляет и другое важное влияние на структуру и физические свойства липидного бислоя. Встраивание холестерина в фосфолипидный бислой вызывает как нарушение квазикристаллической упаковки цепей, так и уменьшение подвижности цепей – Эти эффекты холестерина называют, соответственно, «разжижающим» и «конденсирующим». При температуре, превышающей точку фазового перехода фосфолипида, холестерин уменьшает подвижность углеводородных цепей. При добавлении холестерина площадь молекулы лецитина уменьшается с 0,96 до 0,56 нм. Вот почему высокое содержание холестерина характерно для миелина и плазматических мембран, тогда как внутриклеточные мембраны содержат его в небольших количествах. В плотных миелиновых мембранах фосфолипиды и холестерин содержатся в отношении 1:1, а в менее плотных мито-хондриальных мембранах это отношение равно 3:1 или 8:1. Этот уплотняющий эффект холестерина максимален в районе центрального участка жирнокислотных радикалов и ослабевает в направлении концевых метальных групп. При температуре ниже точки фазового перехода фосфолипидов холестерин разжижает углеводородную область бислоя.

Фазовые переходы липидов при постоянной температуре могут быть вызваны изменениями заряда полярных групп липидов, возникающими при изменениях рН, ионной силы, концентрации ионов. Доказано, что температура фазового перехода есть функция величина заряда и плотности заряда на липидной молекуле. Любое увеличение заряда полярных групп благоприятствует жидкому состоянию из-за латерального электростатического отталкивания, тогда как уменьшение заряда обусловливает переход в твердокристаллическое состояние.

Важным путем изменения поверхностного заряда липидов в физиологических условиях является адсорбция катионов. Связывание катионов заряженными липидами сильно зависит от поверхностного потенциала, значительно различающегося в твердом и жидком состояниях из-за различий в молекулярной упаковке.

Освобождение или адсорбция катионов на мембранной поверхности может запускать фазовые переходы липидов. При определенных физиологических условиях структурные изменения липидов могут вызывать освобождение двухвалентных катионов с поверхности мембраны. Так, при переходе гель – жидкий кристалл с липидной поверхности освобождаются ионы кальция. Са+ 'и Mg+ стабилизируют организованную структуру, увеличивая температуру фазового перехода, а одновалентные катионы оказывают противоположный эффект. Двухвалентные катионы благоприятствуют гелеобразному, а одновалентные – жидкому состоянию мембраны. Поверхность липидов может рассматриваться как резервуар катионов, который способен регулироваться структурными изменениями.

■ Подводя итог вышеизложенному, можно заключить, что в организации липидов, в их асимметричном размещении, подвижности, модификации внутримолекулярных взаимодействий сокрыты многообразные регулирующие возможности.

5. РОЛЬ БЕЛКОВ В ДИНАМИЧНОСТИ ЛИПИДНОГО БИСЛОЯ

Рассматривать динамичность бислоя мембраны без связи с белками нельзя. При липидных структурных перестройках в процесс вовлекаются интегральные, периферические и поверхностные белки мембраны. Более того, белки могут выступать в роли триггеров температурных структурных перестроек мембран, и белку часто принадлежит ведущая роль не только в инициации, но и в реализации структурной перестройки.

Одна из функций липидов в мембране – придание белкам через межмолекулярные взаимодействия оптимальной конформации для функциональной активности. Липиды могут непосредственно участвовать в катализе. Липидный бислой определяет размещение белков, создает условия для их латерального перемещения и через фазовые переходы выполняет регуляторные функции. Жидкостность липидов влияет как на вращательную, так и диффузную свободу интегральных белков и их способность подвергаться конформационным изменениям. Вращательная и латеральная диффузия белков является отчасти следствием латерального движения мембранных липидов. Широкий спектр липидных молекул делает возможным широкое разнообразие специфических взаимодействий с мембранными белками.

Внедрение белка в фосфолипидный бислой упорядочивает его – в результате структура бислоя становится более жесткой.

Считается, что это происходит за счет прилипания и ориентации фосфолипидных молекул, примыкающих к поверхности белка, ограничивающего подвижность этого слоя. У многих мембранных белков те их части, которые погружены в липид-ный бислой, особенно богаты гидрофобными аминокислотами, что повышает устойчивость их связей с липидами и фиксирует их ориентацию в мембране.

В бимолекулярном слое имеется два пула липидов, подвергающихся существенно различным скоростям диффузии. Один пул липидов находится в короткорадиусном взаимодействии с белками и потому подвергается ограниченной латеральной диффузии. Короткорадиусные взаимодействия могут быть очень специфичными и их может осуществлять только определенный тип липидов с особыми белками. Такие специфические липиды необходимы, в частности, для активации мембранных ферментов; они выступают здесь в качестве аллосте-рических эффекторов. Так, белковую молекулу Na+, К+-АТФа-зы окружает кольцевой слой липидов из 30–32 молекул. Применение разнообразных физических методов показало, что кольцевые липиды могут многократно обмениваться с общим липидным пулом мембраны. Время обмена таких прочно связанных липидов с соседними молекулами составляет 10~ – 10~ с. Это несоизмеримо меньше продолжительности одного ферментного цикла. Кроме того, оказалось, что сама фракция кольцевых липидов очень гетерогенна по своей обме-ниваемости, по фазовому состоянию и по способности к реактивации белка. Как минимум, роль кольцевых липидов заключается в поддержании строго определенного гидрофобного окружения данного белка.