Липидный состав мембран нервной ткани и распределение липидов по слоям генетически детерминированы. Наружный и внутренний монослои липидов характеризуются планарной и поперечной микрогетерогенностьюу что создает асимметричность мембран. Существует несколько механизмов, поддерживающих асимметричное распределение липидов в мембране. Один из них связан с термодинамической вероятностью размещения липид-ных молекул с учетом их стереоконфигурации, заряда и гидратации полярных групп. Так, основная часть фосфатидилхолина, сфингомиелина, полифосфоинозитидов, холестерина, церебро-зидов и сульфатидов локализована в наружном слое, а амино-фосфолипиды находятся во внутреннем, цитоплазматическом слое. Неодинакова степень ненасыщенности монослоев: во внутреннем обнаруживается 2/3 двойных связей в жирных кислотах липидов, а в наружном – только 1/3.
Асимметрия бислоя является фактором, обеспечивающим создание градиента кривизны, складок, сморщиваний, отшнуровки части мембраны в виде везикул что существенно для обеспечения межклеточных взаимодействий.
Другой механизм поддержания асимметрии бислоя реализуется за счет различий ионного состава вне- и внутриклеточной среды, что вносит вклад в создание и поддержание изгибов мембраны.
Асимметрия бислоя обеспечивается также ферментами ли-пидного обмена, к ним прежде всего относятся липазы, ферменты обмена холестерина и метилазы фосфатидилэтанолами-на. Метилирование фосфатидилэтаноламина с превращением его в фосфатидилхолин осуществляется в два этапа и происходит в разных слоях липидкого матрикса. Образование мономе-тилфосфатидилэтаноламина под влиянием метилтрансферазы I осуществляется во внутреннем слое, где и локализован фермент. Монометил фосфатидилэтаноламин переходит из цитоплаз-матического слоя на внешний, где под действием метилтрансферазы II завершается его превращение в фосфатидилхолин. Фактически осуществляется так называемый ферментативный флип-флоп.
Этот транслокационный процесс меняет жидкостность мембраны и рассматривается как фактор, стимулирующий функционально важные процессы в мембране: связывание рецепторов с лигандами, Са* – вызванное освобождение медиаторов из си-наптических окончаний, активирование ЛТФаз.
Асимметричность билипидного слоя может поддерживаться транспортом липидов: спонтанным, везикулярным или с участием липидпереносящих белков. Липидпереносящие белки различной степени специфичности «стоят на страже» асимметрии мембран, перенося липиды только в наружный или только во внутренний слой. Перенос липидных молекул осуществляется в виде комплексов с белками-переносчиками.
3. ДИНАМИЧНОСТЬ БИЛИПИДНОГО СЛОЯ МЕМБРАНЫ
Строгая организованность липидного слоя мембраны не лишает его большой динамичности, которая возникает из-за передвижения липидных молекул в пределах мембраны, т.е. за счет интрамолекулярных движений липидов в пределах бислоя. Известно по крайней мере четыре типа интрамолекулярных движений липидов в пределах мембраны: латеральная диффузия, вращательная диффузия, вертикальные колебания и упоминавшийся выше так называемый флип-флоп.
Для большинства липидов скорость латеральной диффузии ощутима. Коэффициент латеральной диффузии для липидов Ю – см/с, а для белков намного ниже – 10~ ш/с. Вращательная диффузия молекул осуществляется также легко. Скорость же флип-флопа очень низка. Особенно медленно флип-флоп происходит в чисто липидных везикулах. Даже в присутствии липидпереносящих белков перемещение из наружного слоя во внутренний занимает более 4 часов, а перемещение в обратную сторону – более 10 часов. Не ускоряет флип-флоп повышение температуры до 80°С Это движение фосфолипидов усиливается под влиянием окисленных липидов, лизолецити-на. Как правило, холестерин подвергается более быстрому флип-флопу, чем фосфолипиды. Следует отметить, что не только флип-флоп запускает функционально важные события в мембране. Латеральная и вращательная диффузия липидов оказывает регулирующее влияние на активность мембранных белков.
4. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ЛИПИДОВ В МЕМБРАНЕ
На все типы молекулярных движений липидных молекул сильное влияние оказывает структура, в которой в данный момент находится липвды бислоя – гелеобразная или жидко-кристаллическая.
Липиды обладают замечательным свойством – способностью к фазовым переходам в физиологических условиях. При определенных температурах, строго характерных для каждого вида липидов, липидные мицеллы могут быть в «твердом» кристаллическом, организованном, гелеобразном состоянии или в «жидком», мезофазном, так называемом жидко-кристаллическом состоянии. Жидкие кристаллы – это анизотропные жидкости, так как оптически они сходны с кристаллами, проявляя разные свойства в разных направлениях, а механически сходны с жидкостью, они текут в зависимости от вязкости.
От состояния липидов в мембране зависит уровень молекулярной организации. Липиды в кристаллическом состоянии могут быть упакованы в кубический или гексагональный кристалл. Жидко-кристаллическая организация липидов в мембране очень разнообразна – это так называемые нематики, смек-тики, холестерики.
Нематики – наименее упорядоченная организация жидко-кристаллического состояния липидов. Молекулы нематика при умеренной температуре стремятся ориентироваться вдоль одного направления. В нематике очень многие молекулы одинаково ориентированы, их продольные оси параллельны друг другу, но такие области существуют недолго и границы их размыты. Области с одинаковой ориентацией молекул непрерывно рождаются и исчезают, что зависит от многих условий – внешних границ, включений и различных воздействий. Магнитное и электрическое поля ориентируют молекулы нематика, причем выстраивают молекулярные оси параллельно своему направлению.
Смектики – похожи на мыльные пленки, они более организованы, чем нематики, их молекулы образуют слои. В каждом индивидуальном слое молекулы передвигаются вдоль плоскости, все плоскости слоев находятся на одном и том же расстоянии. Смектики очень пластичны. Так, смектик в нативной мембране при охлаждении превращается в нематик.
Спиральная упаковка молекул вносит новое в ориентацию оптической оси жидкого кристалла. У холестериков – слоистое строение с различным шагом спирали. Холестерическую спираль обозначают нередко как твист-ориентацию. Разбавление холестерика и увеличение шага спирали приводит к нема-тику. Оптическая активность холестериков очень велика, они избирательно отражают свет в зависимости от температуры, механической нагрузки, примесей, электромагнитных полей.
Жидкие кристаллы, сочетая в себе упорядоченность твердого тела и подвижность жидкости, отличаются высокой чувствительностью к внешним воздействиям, температуре, примесям, свету, внешним полям, они очень пластичны и очень долго хранят информацию. Эти свойства приобретают первостепенное значение в мембранах нервной ткани, где изменения электрических свойств лежат в основе проведения возбуждения.
Фазовый переход липидов является эндотермическим процессом, сопровождающимся изменением энтропии и энтальпии. Липидным структурам присущ лиотропный мезоморфизм и термотропный мезоморфизм. Оба свойства связаны между собой. Фазовый переход липидов «гель – жидкий кристалл» осуществляется при температуре, значение которой зависит от содержания воды в системе. Оно минимально, если общее содержание воды превышает то количество, которое могут связать липидные структуры. В то же время при температуре выше критической липиды могут находиться в упорядоченном состоянии при недостатке воды. Перекисное окисление липидов, увеличивающее содержание воды в бислое, существенно влияет на фазовое состояние мембраны.
Термотропные фазовые переходы липидов в мембране происходят в сравнительно широком температурном интервале. Это обусловлено тем, что в бислое одна фаза обязательно возникает в матриксе другой. Сосуществование в липидном бислое двух фаз устанавливает между ними сложное равновесие, приводя к снижению степени кооперативное™ перехода. Обычно кооперативные фазовые переходы липидов в мембране затрагивают несколько сотен молекул. В нативной мембране постоянно находится большое число кооперативных единиц той или иной фазы. Этот полиморфизм является мощным регулятором транспортных систем мембраны.
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.