Lipid dubbelskiktsfasbeteende

En egenskap hos ett lipiddubbelskikt är den relativa rörligheten (fluiditeten) hos de individuella lipidmolekylerna och hur denna rörlighet förändras med temperaturen. Detta svar är känt som fasbeteendet för dubbelskiktet. I stora drag kan ett lipiddubbelskikt vid en given temperatur existera i antingen en flytande eller en fast fas. Den fasta fasen kallas vanligtvis för en "gelfas". Alla lipider har en karakteristisk temperatur vid vilken de genomgår en övergång ( smältning ) från gelfasen till flytande fas. I båda faserna är lipidmolekylerna begränsade till membranets tvådimensionella plan, men i vätskefasdubbelskikt diffunderar molekylerna fritt inom detta plan. Sålunda, i ett flytande dubbelskikt kommer en given lipid snabbt att byta plats med sin granne miljontals gånger i sekunden och kommer, genom processen med en slumpmässig promenad , att migrera över långa avstånd.

Rörelsebegränsningar

I motsats till denna stora rörlighet i planet är det mycket svårt för lipidmolekyler att flip-flop från ena sidan av lipiddubbelskiktet till den andra. I ett fosfatidylkolin -baserat dubbelskikt sker denna process vanligtvis över en tidsskala av veckor. Denna diskrepans kan förstås i termer av dubbelskiktets grundläggande struktur. För att en lipid ska vända från den ena broschyren till den andra måste dess hydratiserade huvudgrupp passera den hydrofoba kärnan av dubbelskiktet, en energiskt ogynnsam process. Till skillnad från tvåskikt i vätskefas är lipiderna i ett dubbelskikt i gelfas låsta på plats och uppvisar varken flip-flop eller lateral rörlighet. På grund av denna begränsade rörlighet saknar geldubbelskikt en viktig egenskap hos flytande dubbellager: förmågan att återförsluta små hål. Vätskefas-dubbelskikt kan spontant läka små tomrum, ungefär på samma sätt som en film av olja på vatten kan strömma in för att fylla en lucka. Denna funktionalitet är en av anledningarna till att cellmembran vanligtvis är sammansatta av vätskefasdubbelskikt. Rörelsebegränsningar på lipider i lipiddubbelskikt påläggs också av närvaron av proteiner i biologiska membran, särskilt i det ringformade lipidskalet som är "fäst" på ytan av integrala membranproteiner .

Fysiskt ursprung

Diagram som visar effekten av omättade lipider på ett dubbelskikt. Lipiderna med en omättad svans (blå) stör packningen av de med bara mättad svans (svart). Det resulterande dubbelskiktet har mer ledigt utrymme och är följaktligen mer permeabelt för vatten och andra små molekyler.

Fasbeteendet hos lipiddubbelskikt bestäms till stor del av styrkan hos de attraktiva Van der Waals -interaktionerna mellan intilliggande lipidmolekyler. Omfattningen av denna interaktion styrs i sin tur av hur långa lipidsvansarna är och hur väl de kan packas ihop. Längre svansade lipider har mer område att interagera över, vilket ökar styrkan av denna interaktion och följaktligen minskar lipidrörligheten. Således, vid en given temperatur, kommer en kortstjärtad lipid att vara mer flytande än en annars identisk långsvansad lipid. Ett annat sätt att uttrycka detta skulle vara att säga att övergångstemperaturen för gel till vätskefas ökar med ökande antal kol i lipidalkankedjorna . Mättade fosfatidylkolinlipider med svansar längre än 14 kol är fasta vid rumstemperatur, medan de med färre än 14 är flytande. Detta fenomen är analogt med det faktum att paraffinvax , som består av långa alkaner, är fast vid rumstemperatur, medan oktan ( bensin ), en kort alkan, är flytande.

Bortsett från kedjelängden kan övergångstemperaturen också påverkas av graden av omättnad av lipidsvansarna. En omättad dubbelbindning kan ge en kink i alkankedjan, vilket stör den regelbundna periodiska strukturen. Denna störning skapar extra ledigt utrymme i dubbelskiktet vilket möjliggör ytterligare flexibilitet i de intilliggande kedjorna. Det är denna störning av packningen som leder till lägre övergångstemperaturer med ökande dubbelbindningar. Detta är en särskilt kraftfull effekt; Att minska den totala kedjelängden med ett kol ändrar vanligtvis övergångstemperaturen för en lipid med tio grader Celsius eller mindre, men att lägga till en enkel dubbelbindning kan minska övergångstemperaturen med femtio grader eller mer (se tabell). Ett exempel på denna effekt kan noteras i vardagen som smör , som har en stor andel mättade fetter , är fast vid rumstemperatur medan vegetabilisk olja , som mestadels är omättad, är flytande.

Övergångstemperatur (i °C) som funktion av svanslängd och mättnad. Alla data är för lipider med PC- huvudgrupper och två identiska svansar.
Svanslängd	Dubbelbindningar	Övergångstemperatur
12	0	-1
14	0	23
16	0	41
18	0	55
20	0	66
22	0	75
24	0	80
18	1	1
18	2	-53
18	3	-60

Blandade system

Dubbelskikt behöver inte bestå av en enda typ av lipid och i själva verket är de flesta naturliga membran en komplex blandning av olika lipidmolekyler. Sådana blandningar uppvisar ofta egenskaper som är mellanliggande i förhållande till deras komponenter, men är också kapabla till ett fenomen som inte ses i enkomponentsystem: fasseparation . Om några av komponenterna är flytande vid en given temperatur medan andra är i gelfasen, kan de två faserna samexistera i rumsligt separerade populationer. Denna fasseparation spelar en kritisk roll i biokemiska fenomen eftersom membrankomponenter såsom proteiner kan delas upp i den ena eller andra fasen och sålunda koncentreras eller aktiveras lokalt.

Kolesterol

Den kemiska strukturen av kolesterol, som skiljer sig mycket från en vanlig fosfolipid.

Närvaron av kolesterol utövar en djupgående men komplicerad inverkan på lipidbilageregenskaper på grund av dess unika fysikaliska egenskaper. Även om det är en lipid, har kolesterol liten likhet med en fosfolipid . Den hydrofila domänen av kolesterol är ganska liten och består av en enda hydroxylgrupp . Intill denna hydroxylgrupp finns en stel plan struktur som består av flera sammansmälta ringar. I den motsatta änden av ringstrukturen finns en kort enkelkedjesvans. Det har varit känt i decennier att tillsats av kolesterol till ett vätskefas-dubbelskikt minskar dess permeabilitet för vatten. Sättet för denna interaktion har på senare tid visat sig bero på att kolesterol interkalerar mellan lipidmolekyler, fyller i fritt utrymme och minskar flexibiliteten hos omgivande lipidkedjor. Denna interaktion ökar också den mekaniska styvheten hos vätskemembranlipiddubbelskikt och minskar deras laterala diffusionskoefficient. Däremot stör tillsatsen av kolesterol till dubbelskikt i gelfas den lokala packningsordningen, ökar diffusionskoefficienten och minskar elasticitetsmodulen. Interaktioner mellan kolesterol och flerkomponentsystem är ännu mer komplicerade, eftersom dessa kan resultera i intrikata fasdiagram . Ett lipid-kolesterolsystem som nyligen har studerats noggrant är lipidflotten. Lipidflottar är kolesterolberikade geldomäner som potentiellt har varit inblandade i vissa cellsignaleringsprocesser, men ämnet är fortfarande kontroversiellt, med vissa forskare som tvivlar ens på deras existens in vivo.

Lipidpolymorfism

Exempel på lipidpolymorfism som dubbelskikt (le), omvända sfäriska miceller (M) och omvända hexagonala cylindrar H-II-fas (H) i negativt färgade transmissionselektronmikrofotografier av spenattylakoid-lipid-vattendispersion.

Blandade lipidliposomer kan genomgå förändringar i olika fasdispersionsstrukturer, kallade lipidpolymorfismer , till exempel sfäriska miceller , lipiddubbelskiktslameller och hexagonala fascylindrar, beroende på fysikaliska och kemiska förändringar i deras mikromiljö. Fasövergångstemperaturen för liposomer och biologiska membran kan mätas med användning av kalorimetri , magnetisk resonansspektroskopi och andra tekniker.

Se även