Lipidpolymorfism

Tvärsnittsvy av strukturerna som kan bildas av fosfolipider i vattenlösningar

Polymorfism inom biofysik är lipidernas förmåga att aggregera på en mängd olika sätt, vilket ger upphov till strukturer av olika former, kända som "faser". Detta kan vara i form av sfärer av lipidmolekyler ( miceller ), par av lager som är vända mot varandra (lamellär fas, observerad i biologiska system som ett lipiddubbelskikt), ett rörformigt arrangemang ( hexagonalt ) eller olika kubiska faser (Fd 3 m, Im 3 m, Ia 3 m, Pn 3 m och Pm 3 m är de som hittills upptäckts). Mer komplicerade aggregationer har också observerats, såsom romboedriska , tetragonala och ortorhombiska faser.

Den utgör en viktig del av aktuell akademisk forskning inom områdena membranbiofysik (polymorfism), biokemi (biologisk påverkan) och organisk kemi (syntes).

Bestämning av topologin för ett lipidsystem är möjligt med ett antal metoder, varav den mest tillförlitliga är röntgendiffraktion . Detta använder en stråle av röntgenstrålar som sprids av provet, vilket ger ett diffraktionsmönster som en uppsättning ringar. Förhållandet mellan dessa ringars avstånd från mittpunkten indikerar vilken eller vilka faser som finns.

Den strukturella fasen av aggregationen påverkas av förhållandet mellan närvarande lipider, temperatur, hydratisering, tryck och jonstyrka (och typ).

Hexagonala faser

Vid lipidpolymorfism, om packningsförhållandet ^{[ förtydligande behövs ]} för lipider är större eller mindre än ett, kan lipidmembran bilda två separata hexagonala faser, eller icke-lamellära faser, i vilka långa, rörformiga aggregat bildas beroende på miljön där lipiden finns. infördes.

Hexagonal I-fas (H _I )

Denna fas är gynnsam i tvättmedel-i-vattenlösningar och har ett packningsförhållande på mindre än ett. Micellpopulationen i en tvättmedel/vattenblandning kan inte öka utan gräns då förhållandet mellan tvättmedel och vatten ökar. I närvaro av små mängder vatten kommer lipider som normalt skulle bilda miceller att bilda större aggregat i form av micellära tubuli för att tillgodose kraven på den hydrofoba effekten. Dessa aggregat kan ses som miceller som är sammansmälta. Dessa rör har de polära huvudgrupperna vända utåt och de hydrofoba kolvätekedjorna vända mot insidan. Denna fas ses endast under unika, specialiserade förhållanden, och är troligen inte relevant för biologiska membran.

Hexagonal II fas (H _II )

Lipidmolekyler i HII-fasen packas omvänt till packningen som observerats i den hexagonala I-fasen som beskrivs ovan. Denna fas har de polära huvudgrupperna på insidan och de hydrofoba kolvätesvansarna på utsidan i lösning. Packningsförhållandet för denna fas är större än ett, vilket är synonymt med en omvänd konpackning.

Utökade arrayer av långa rör kommer att bildas (som i den hexagonala I-fasen), men på grund av hur de polära huvudgrupperna packas, antar rören formen av vattenhaltiga kanaler. Dessa arrayer kan staplas ihop som rör. Detta sätt att packa kan lämna en ändlig hydrofob yta i kontakt med vatten på utsidan av arrayen. Den annars energiskt gynnsamma packningen stabiliserar dock uppenbarligen denna fas som helhet. Det är också möjligt att ett yttre monolager av lipid täcker ytan av samlingen av rör för att skydda den hydrofoba ytan från interaktion med vattenfasen.

Det föreslås att denna fas bildas av lipider i lösning för att kompensera för den hydrofoba effekten. Den täta packningen av lipidhuvudgrupperna minskar deras kontakt med vattenfasen. Detta minskar i sin tur mängden ordnade, men obundna vattenmolekyler. De vanligaste lipiderna som bildar denna fas inkluderar fosfatidyletanolamin (PE), när den har omättade kolvätekedjor. Difosfatidylglycerol (DPG, annars känd som kardiolipin) i närvaro av kalcium kan också bilda denna fas.

Tekniker för detektion

Det finns flera tekniker som används för att kartlägga vilken fas som finns under störningar som görs på lipiden. Dessa störningar inkluderar pH-förändringar, temperaturförändringar, tryckförändringar, volymförändringar, etc.

Den vanligaste tekniken som används för att studera fosfolipidfasnärvaro är fosforkärnmagnetisk resonans ( 31P NMR). I denna teknik observeras olika och unika pulverdiffraktionsmönster för lamellära, hexagonala och isotropa faser. Andra tekniker som används och erbjuder definitiva bevis på existensen av lamellära och hexagonala faser inkluderar frys-frakturelektronmikroskopi, röntgendiffraktion , differentiell skanningskalorimetri (DSC) och deuteriumkärnmagnetisk resonans (2H NMR).

Inverterad hexagonal H-II-fas (H), inverterad sfärisk micellfas (M), lamellär liposomfas (le) strukturer i kallexponerade vattenhaltiga dispersioner av totalt lipidextrakt från spenattylakoidmembran, studerade genom negativ färgning (2 % fosfovolframsyra) transmissionselektronmikroskopi.

Dessutom har negativ färgningstransmissionselektronmikroskopi visats som ett användbart verktyg för att studera lipid-dubbelskiktsfasbeteende och polymorfism i lamellär fas , micellär, unilamellär liposom och hexagonala vattenhaltiga lipidstrukturer , i vattenhaltiga dispersioner av membranlipider . Eftersom vattenlöslig negativ färg utesluts från den hydrofoba delen (fettacylkedjor) av lipidaggregat, färgas de hydrofila huvudgrupperna av lipidaggregaten mörka och markerar tydligt konturerna av lipidaggregaten (se figur).

Se även

JM Seddon, RH Templer. Polymorphism of Lipid-Water Systems , från Handbook of Biological Physics, vol. 1, ed. R. Lipowsky och E. Sackmann. (c) 1995, Elsevier Science BV ISBN 0-444-81975-4
Yeagle, P. (2005). Strukturen av biologiska membran (2:a upplagan). USA: CRC Press.
Yeagle, P. (1993). Cellernas membran (2:a upplagan). Michigan: Academic Press.
Gennis, RB (1989). Biomembran: Molekylär struktur och funktion. Michigan: Springer-Verlag.