В основе всех современных биотехнологий лежит огромное количество фундаментальных исследований, на выполнение которых направлены усилия множества ученых со всего мира. Биофизики из Института Белка РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН работают над одной из таких фундаментальных проблем – они изучают физические основы объемных изменений при конформационных превращениях макромолекул. Свои последние исследования, посвященные изучению перехода фосфолипидов из геля в жидкокристаллическое состояние в зависимости от длины ацильной цепи и объемных параметров, они опубликовали в свежем номере журнала Biophysical Chemistry.
Фосфолипиды входят в состав всех клеточных мембран и влияют на проницаемость клеток и активность многих ферментов. Они состоят из двух частей – «головки» и «хвостов». Полярная «головка», в состав которой входит какой-либо многоатомный спирт, отрицательно заряженный остаток фосфорной кислоты, а также часто несущая положительный заряд группа атомов. К «головке» присоединены два или несколько неполярных «хвоста» из остатков жирных кислот. Такое строения фосфолипидов и объясняют их необычные физические свойства: «головка» у них гидрофильна, а «хвосты» - гидрофобны. Эта особенность структуры фосфолипидов позволяет им при нахождении в толще водной среды производить самосборку и образовывать бислой — двойной слой фосфолипидных молекул, где гидрофильные «головки» с обеих сторон соприкасаются с водой, а гидрофобные «хвосты» упрятаны внутрь бислоя и тем самым защищены от контакта с водой. Именно такое строение имеют все клеточные мембраны, основу которых составляет бислой фосфолипидов. При повышении температуры этот бислой подвергается фазовому переходу: из более твердого – гелеобразного состояния к внутренне более подвижному, жидкокристаллическому состоянию. При переходе из геля в жидкокристаллическое состояние объем мембраны несколько увеличивается. Особенности изменения объема мембран в зависимости от строения фосфолипидов изучают Пущинские ученые. Один из авторов этого исследования, научный сотрудник Лаборатории механизмов организации биоструктур ИТЭБ РАН Раиля Сагитовна Хусаинова рассказывает:: «Все клеточные мембраны в живой клетке пребывают по температуре в области перехода гель-жидкий кристалл. Именно это динамическое состояние липидной мембраны очень интересно для изучения с физиологической точки зрения: при температуре фазового перехода резко увеличивается ионная проводимость мембраны, происходят процессы слияния мембран. Объемные изменения мембран в значительной степени определяют их механические свойства. С помощью метода калориметрии высокого давления мы смогли измерить их объемные параметры».
Исследователи выяснили, что при удлинении ацильных «хвостов» фосфолипидов энтальпия перехода и объем являютсятся линейной функцией числа атомов углерода в ацильной цепи. Отношение объема к энтальпии постоянно и не зависит от длины «хвоста». Это наблюдение уже было установлено эмпирически, но объяснить его ученым удалось только сейчас. Из этого вывода вытекает еще один, о котором биофизики сообщают в своей работе. Если отношение объема к энтальпии абсолютно постоянно, то из законов термодинамики следует, что все липиды этого класса будут переходить из геля в жидкий кристалл или, проще говоря, плавиться, при температурах, графики которых в зависимости от давления параллельны.
Также в своей работе авторы показали, что с ростом давления энергия связанная с переходом у липидов с короткими хвостами будет увеличиваться, а с длинными - уменьшатся. .Ранее в своих экспериментальных исследованиях ученые выяснили, что прямая линия, соответствующая зависимости энергии перехода от длины хвоста вращается вокруг одной точки при изменении давления, теперь же удалось объяснить причины такого поведения.
Руководитель группы термодинамики белка Института Белка РАН Сергей Александрович Потехин комментирует этот результат своей работы: «То, что с ростом давления происходит вращение зависимости энтальпии от давления вокруг этой точки, налагает определенные требования и на зависимость изменения объема от давления и температуры. В этой работе мы показали, что скачки коэффициента расширения и сжатия – это не линейные функции длины «хвоста». Но здесь же мы демонстрируем какие надо взять координаты, чтобы функция стала линейной».
Кроме того, полученная зависимость предсказывает, что при атмосферном давлении липиды имеющие длину ацильного «хвоста» менее 11 атомов углерода, должны были бы плавиться с тепловыделением (если бы это было возможным) в отличие от остальных липидов. Такие переходы запрещены законами равновесной термодинамики. Т.е. наблюдать переход гель-жидкий кристалл у липидов с длиной хвоста менее 11 атомов углерода вообще не возможно ни при какой температуре. Однако если поднять давление, эта зависимость меняется. Липиды, которые не плавятся при нормальном давлении, при 2000 атм. плавиться будут, поскольку для липидов с длиной хвоста 10 и 11 атомов тепловыделение смениться на теплопоглащение, а такие переходы уже не запрещены.
Еще одним важным выводом этой работы Пущинских биофизиков стала констатация того факта, что плавление липидов по энергии очень сильно напоминает плавление других веществ, имеющих ту же химическую структуру, что и гидрофобные «хвосты» липидов, а именно полиэтилена и алканов. Это наводит на мысль, что на энергию плавления липидов не сказывается ни природа полярной «головки», ни их водное окружение.
«Таким образом, - добавляет Сергей Александрович, - из самых простых теоретических соображений можно предсказать и объяснить многие свойства плавления липидов. В этой работе, на основании простых структурных соображений и законов термодинамики мы смогли объяснить некоторые экспериментальные факты, ранее не имевшие рационального объяснения».
Изучать физические основы объемных изменений при конформационных превращениях макромолекул Пущинским ученым позволило наличие уникального прибора - сканирующего микрокалориметра, способного работать при давлениях до 5000 атм. Этот калориметр был разработан восемь лет назад в Институте Белка РАН совместно с Институтом физики высоких давлений РАН на средства целевой научно-технической программа “Разработка уникальных научно-исследовательских приборов и оборудования для учреждений РАН”.
Работа проводится при поддержке грантов РФФИ, № 14-04-00993–а.
Источник:
Potekhin SA, Khusainova RS. Dependence on acyl chain length of energy and volume parameters of the gel to liquid-crystalline transition of 1,2-diacylphosphatidylcholines. Theoretical consideration. Biophys Chem. 2017 Aug;227:29-33.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301462217300960
Материал подготовила:
Пресс-служба ИТЭБ РАН Татьяна Перевязова, т. 8-903-224-46-31, iteb-press@yandex.ru
Галерея
