Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. "Твердые" бислои II
1.2. Фазовый переход 17
1.3. Структурная организация "жидкого" бислоя ...20
1.4. Термодинамика образования липидных агрегатов в воде 31
1.5. Теоретические расчеты с помощью поворотно-изомерных моделей. 35
2. Структурная организация жидко-кристаллического липидного бислоя 39
2.1. Функция распределения второго рода и интенсивность рассеяния (краткое введение в теорию) ...41
2.2. Материалы и методы 46
2.3. Среднее расстояние между углеводородными цепями 48
2.4. Упаковка углеводородных цепей в "жидком" бислое. Кластеры и динамические дефекты. 56
2.5. Размеры кластера в латеральном направлении...63
2.6. Упаковка и движение углеводородных цепей в липидном бислое. Модель "кинков". 67
2.7. Выводы 72
3. Модель "метиленового газа" 74
3.1. Изменение энтропии при фазовом переходе 75
3.2. Вероятности транс- и гош-состояний метиленовых звеньев в фосфолипидных бислоях 78
3.3. Вероятности транс- и гош-состояний метиленових звеньев в жидких н-алканах .83
3.4. "Молекулярное поле" 87
3.5. Коэффициент объемного теплового расширения... 92
3.6. Выводы .96
4. Свободная энергия образования липидного бислоя 97
4.1. Жидко-кристаллический бислой 100
4.2. Динамические дефекты 104
4.3. Твердый бислой 109
4.4. Выводы ... 110
Основные результаты 112
Заключение .113
Литература 116
- Термодинамика образования липидных агрегатов в воде
- Упаковка углеводородных цепей в "жидком" бислое. Кластеры и динамические дефекты.
- Упаковка и движение углеводородных цепей в липидном бислое. Модель "кинков".
- Вероятности транс- и гош-состояний метиленовых звеньев в фосфолипидных бислоях
Введение к работе
В последние двадцать лет появилось огромное количество работ, посвященных исследованию структуры и свойств различных биологических мембран и модельных мембранных систем. Это связано не только с исследованием закономерностей функционирования клеток, в которых основные процессы жизнедеятельности протекают на мембранах или внутри мембранных компартмен-тов, но и с чисто прикладными медицинскими задачами. Липосо-мальный транспорт в организме различных лекарств, рентгено--контрастиругощих препаратов, ферментов и т.п. находит в последнее время все более широкое применение в медицинской практике. В связи с этим, проблема структурной организации мембранных липидов, определяющей как существование мембраны в широком диапазоне внешних условий, так и процессы встраивания в мембрану и движения сквозь мембрану самых различных веществ, от ионов до биополимеров, представляет сейчас не только академический интерес.
Структурной основой биологических мембран является бимолекулярный липидный слой, существование и свойства которого, в свою очередь, определяются особенностями структуры молекул фосфо- и гликолипидов. Главной их чертой является "ам-фифильность", т.е. пространственное разделение молекулы на гидрофильную (полярную) "головку" и гидрофобную (неполярную) часть, состоящую, как правило, из двух углеводородных "хвостов". Именно такая структура молекул обуславливает их бислойную упаковку в водной среде "хвостами" внутрь и "головами" наружу, а баланс гидрофобных и гидрофильных взаимодействий определяет область существования бислоя. Мембранные липиды, как правило, представляют собой смесь нескольких десятков соединений, имеющих общий "амфифильный" принцип строения, но отличающихся видом поялрных голов или углеводородных хвостов. Около половины в этой смеси приходится в мембранах эукариот на долю фосфатидилхолина (лецитина), для которого характерно существование в виде ламеллярной мезо-фазы (жидкой или твердой) в очень широком диапазоне концентраций и температур.
Поэтому не удивительно, что природные (обычно яичный) и синтетические лецитины наиболее широко используются для моделирования мембранного бислоя. Использование различных физико-химических методов исследования позволило на таких модельных системах получить разнообразную детальную информацию о характере упаковки и движения Молекул. Оказалось, что ряд свойств бислоя мало зависит от структуры полярных голов и определяется, в основном, когезионным взаимодействием углеводородных цепей, поведение которых обнаруживает сходные черты как в жидко-кристаллических ламеллярных мезофазах фосфо-липидов, так и в жидких Н-алканах. Исследование поведения фосфолипидов, и прежде всего лецитинов, в воде интересно не только с точки зрения моделирования мембранных функций, но и с точки зрения поведения смектических жидких кристаллов, об ладащих одновременно лиотропным и термотропным мезоморфиз-мом.
Основные идеи, рассматриваемые в настоящей работе, содержатся в двух монографиях /13,14/, в которых была обобщена основная часть информации о структурной организации, движении молекул и свойствах бислоев в различных модельных системах и природных мембранах. В связи с этим при анализе поведения фосфолипидных бислоев были использованы, в основном, многочисленные литературные данные, и основное внимание было обращено на вопросы, остававшиеся нерешенными к моменту написания книг.
При описании упаковки углеводородных цепей в твердом и "жидком" бислое до сих пор практически всеми авторами используется аппроксимация цепей круговыми цилиндрами без учета истинной формы поперечного сечения, что во многих случаях затрудняет интерпретацию положения и формы рентгеновских рефлексов. В результате, до сих пор не решен вопрос о среднем расстоянии между углеводородными цепями в жидком бислое. Расчеты, сделанные в предположении о "разбухании" гексагональной кристаллической решетки при плавлении цепей, дают, как будет показано ниже, явно завышенные значения межцепочечных расстояний. Не решена также задача оценки упорядоченности в упаковке молекул (ближнего порядка), хотя предположение о существовании короткоживущих "микродоменов" в бислое было сделано еще в начале семидесятых годов /64,71/.
То же самое можно сказать о "динамических дефектах", т.е. нарушениях упаковки на границах "микродоменов" (кластеров) . Идея о роли таких дефектов в процессах пассивного транспорта ионов и небольших молекул через мембрану была высказана Д.Л.Рубинштейном еще в 1947 году /27/. В настоящее время в работах А.А.Льва /21/ было показано, что дефекты в ли-пидном матриксе могут играть важную роль в процессах избирательного транспорта ионов, обусловленного различными мемб-рано-активными веществами-модификаторами. Однако, проблемы геометрии дефектов, их связи со структурой липидных молекул, оценки сил, ответственных за образование дефектов, практически не обсуждались в литературе.
Что касается общей (структурной) модели липидного бислоя, то и здесь ситуация похожа. В работах Мак Фарланда и Мак Коннелла /71/ и позднее Абрахамсона с соавторами /33/ были высказаны предположения о наличии трех зон в углеводородной области бислоя: двух "структурированных", прилегающих к полярным головам, и "жидкой" в центре бислоя. Однако никаких количественных оценок не было сделано за исключением оценки угла наклона углеводородных цепей относительно плоскости бислоя. С другой стороны, большое число работ было посвящено анализу конформации углеводородных цепей методами статистической механики. И хотя существующие теоретические подходы позволяют в хорошем согласии с экспериментом вычислить целый ряд параметров бислоя (распределение параметра порядка вдоль цепи, температуру фазового перехода, соотношение транс- и гош-ротамеров и т.д.), проблемы упаковки молекул до сих пор не решены. Не было также дано удовлетворительного объяснения универсального свойства различных липи-дов - линейной зависимости энтропии и энтальпии фазового перехода из твердого в "жидкое" состояние от длины углеводородных цепей. Термодинамика липидных агрегатов в воде также является темой многих исследований, однако основное внимание здесь обращено на оценку формы и размеров липидных мицелл, в первую очередь мицелл детергентов. Для бислойных мицелл (везикул) рассмотрение обычно ограничивается эффектами границы бислойного участка, в то время как энергетический баланс,определяющий устойчивость самого плоского "бесконечного" бислоя, остается вне внимания исследователей. Хотя свободная энергия образования бислоя и была оценена из величины критической концентрации мицеллообразования /102/, однако различные энтальпийные и энтропийные вклады не были определены.
Рассмотрение всех этих вопросов определило расположение материала диссертации. В главе I дан обзор литературных данных. Главы 2 и 3 посвящены структуре и динамике поведения "жидкого" бислоя, который рассматривается здесь с разных сто о рон. В главе 2 на основании интерпретации 4,6 А-рентгеновс кого рефлекса, характерного для всех жидких и жидко-кристаллических липидов, оценено среднее расстояние между соседними цепями в бислое и минимальный размер области упорядоченности. Это позволило сформулировать кластерную модель динамической бислойной структуры, описывающую упаковку и движени0 молекул в бислое при временах, соизмеримых с временами корреляции вращательного движения. Кластерная модель сопоставляется с.моделью "кинков", широко используемой для описания поведения углеводородных цепей в мембране.
Глава 3, наоборот, рассматривает модель, которая применима к мембране только при достаточно больших временах, достаточных для эффективного усреднения конформаций цепей. Использованное здесь рассмотрение жидкой углеводородной области в приближении газа квазичастиц основано на линейной зависимости приращения энтропии перехода от длины углеводородных цепей. Уравнение состояния "ротамерного газа" позволяет получить аналитическое выражение для коэффициента объемного теплового расширения и оценить приращение свободного объема при вращательной изомеризации цепи вокруг единичных С-С связей.
В главе 4 рассмотрена свободная энергия образования би-слоя. Оценены вклады когезионного взаимодействия углеводородных цепей и растворения полярных групп, а также ограничения конформационной подвижности молекул при их упаковке в ламе-ллярнуго структуру. Оценен возможный вклад дефектов в баланс сил, определяющих целостность бислоя. Сопоставление термодинамических параметров "жидкого" и твердого бислоя позволяет наглядно представить, почему при более низких температурах термодинамически выгоден твердый, а при более высоких - "жидкий" бислой. Все численные оценки сделаны для наиболее хорошо изученного фосфолипида - дипальмитоилфосфатидилхолина (ДП$Х), для которого чаще используется название "дипальми-тоиллецитин". Этот липид содержит два полностью насыщенных остатка пальмитиновой кислоты (CI6), присоединенных эфирными связями к GI и С2 атомам глицеринового остатка.
Хотя "кластерная" модель, модель "метиленового газа" и термодинамическая модель бислоя рассмотрены в разных главах, они являются просто взаимно-дополняющими частями единой структурно-динамической модели липидного бислоя, объясняющей большинство существующих экспериментальных фактов. Эта общая модель основана на последовательном применении классической поворотно-изомерной теории Волькенштейна и Флори /7, 30/ и принципа плотной упаковки, разработанного А.И.Китайгородским /18/. И еще одна классическая работа сыграла важную роль в моем понимании поведения жидко-кристаллического ли-пидного бислоя - это "Кинетическая теория жидкостей" Я.И. Френкеля /31/.
Термодинамика образования липидных агрегатов в воде
Размеры, форма и свойства липидных агрегатов в воде определяются балансом гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, которые, в свою очередь, зависят от структуры липидных молекул. Равновесие между мономерами и агрегатами определяется разностью химических потенциалов мономерной и агрегированной форм: где N = 1,2,3 JK - химический потенциал молеку лы в агрегате из N молекул, к - постоянная Больцмана, Т - температура, л. - концентрация (в мольных или объемных до лях) /59,102/. Это уравнение справедливо при любом N , поэ тому оно позволяет легко связать концентрации агрегатов меж ду собой или с концентрацией мономеров в растворе /59/: причем полная концентрация липида в воде Ху Z_ Хм . Малые агрегаты энтропийно предпочтительнее, и характер распределения агрегатов по размерам будет зависеть от характера зависимости JMN от N , которое, в свою очередь, определяется в большинстве случаев избыточной энергией границы липид--вода. Если И уменьшается с возрастанием М , то большие агрегаты оказываются энергетически выгодными /59/. Для многих липидных структур выражение для JtfjJ имеет вид: где о(. и Р - константы, зависящие, в первую очередь, от геометрии агрегата /59/. Показатель Р определяет размер образующихся агрегатов: при Р 1 , предпочтительны малые агрегаты, при Р 1 ,, наоборот, большие /59/. Для большого агрегата второй член в правой части уравнения (1.4) определяется относительным вкладом граничных молекул. Так, если бислой имеет форму диска радиуса R , то число молекул на границе R. , в то время как полное число молекул в диске - R. , следовательно, число молекул на границе N и т.е. Р 1 /59/. В результате при концентрации вьше критической концентрации мицеллообразования (ККМ) будут образовыва-ться бесконечные бислои, которые могут, в принципе, замыкаться в большие везикулы, более выгодные с точки зрения энтропии /59/. Критическая концентрация мицеллообразования может быть найдена из (1.2), если учесть, что при большом N второе слагаемое в левой части уравнения становится пренебрежимо малым /102/: Если уравнение (1.4) выполняется и при N - і , то ККМ может быть записано /59/: Таким образом, задача сводится к поискам вида зависимости Jul от тех или иных параметров системы.
Предложенная Тэнфордом /102/ концепция двух сил в поверхностной области позволяет связать химический потенциал молекулы с площадью, занимаемой молекулой в плоскости бислоя /59/. После преобразований получается: где f - избыточная свободная энергия на единицу площади (50 10 Дж/см для границы жидкий углеводород/вода), й0 -"оптимальная" площадь на молекулу /59/. Форма агрегата может быть предсказана из простых геометрических соображений, учитывая безразмерный "параметр упаковки" углеводородных цепей V /a0ic где V - объем цепи, ct0 - "оптимальная" площадь, приходящаяся на цепь, tc -"критическая длина цепи" /57-59/. Последняя величина является полуэмпирическим параметром, показывающим предельную длину цепи, более которой цепь уже не может считаться "жидкой" /59/. Оценки показывают, что бислои образуются в том случае, если 0,5- u/a0fc і /59/. Для больших мицелл ( N »1) свободная энергия образования мицеллы может быть найдена непосредственно из величины ККМ /102/, которая, будучи выражена в мольных долях,равна коэффициенту распределения липида между раствором и мицелляр-ной фазой: Для дипальмитоиллецитина (ККМ = 4,7 10" ТІ по данным /102/) это дает при 315((величину АО-М(С — 67 кДж/моль. Однако величина А&міс (или JW ) пока не была связана с конкретными параметрами фосфолипидной мембраны, такими как упаковка и взаимодействие полярных групп и углеводородных цепей, хотя свободная энергия, энтальпия и энтропия переноса из неполярных растворителей (например, жидких углеводородов) в воду были найдены для гомологических рядов многих более простых соединений с длинными углеводородными цепями /1,10,102/.
Упаковка углеводородных цепей в "жидком" бислое. Кластеры и динамические дефекты.
Проведенное выше рассмотрение показывает, что расстояние между соседними углеводородными цепями, вычисляемое из положения рентгеновского рефлекса, оказывается в "жидком" бислое меньше, чем в твердом. Однако дилатометрические измерения показывают, что парци альный удельный объем лецитинов выше фазового перехода на 2,5-3,5$ больше, чем объем в квазикристаллической мезофазе /70,76/. Это может быть в том случае, если цепи в "жидком" бислое упакованы в компактные пачки (кластеры, или домены), а возрастание объема происходит за счет более рыхлой упаковки на границах кластеров. Предположение о существовании в жидких кристаллах и даже в изотропных жидкостях таких "флуктуации упорядоченности" ("роев" или сиботаксических областей)было еще в двадцатых годах сформулировано Стюартом на основании анализа данных рентгеновской дифракции /31/.
Относительно упаковки цепей в фосфолипидных бислоях аналогичные идеи выдвигались Левиным /64/ и Мак-Фарландом и Мак-Коннеллом /71/.Абрахамсон /33/ предложил выделить при рассмотрении углеводородной области бислоя две "структурированные" области, прилегающие к полярным головам,и центральную "жидкую" область, хотя и не высказал каких-либо предположений о характере упаковки молекул в этих областях.
Рассмотрим более детально упаковку молекул в кластере и взаимную "упаковку" кластеров в бислое. Кластеры, очевидно, являются теми областями, где сохраняется ближний порядок в размещении цепей, и 4,6 А-рефлекс должен отражать как среднее межцепочечное расстояние в такой области, так и характер упорядоченности в латеральном направлении. Оценить размеры кластера в направлении поперек бислоя проще из данных дейтериевого ЯМР, т.к. нет достаточно надежных данных о ширине 1,2А рефлекса. Очевидно, что в кластеры могут упаковываться только цепи или участки цепей, находящиеся в полностью транс-конфор-мации. Следовательно все сегменты, входящие в состав этого участка, должны быть одинаково наклонены относительно нормали к плоскости бислоя. Одним из основных доводов в пользу наличия коллективного наклона начальных участков углеводородных цепей является, как отмечалось в Обзоре литературы, постоянство параметра порядка для первых 8-9 метиленовых групп в бисло-ях образованных различными липидами /36,82.86,90,98,99/ и непосредственно в мембранах бактерий /97,100/.
Угол наклона начальных участков может быть оценен из выражения (I.I), если предположить, что весь CI-C9 участок цепи находится в транс-конформации и наклонен относительно нормали под углом А , так что cosz& = cos jb . При этом молекулы осуществляют вращение относительно оси перпендикулярной ламел-лярной плоскости. Очевидно, что при такой конформации (рис. 1.7) молекулы не могут осуществлять движение поодиночке, и вращение есть коллективный процесс. Из формулы (I.I) В бислоях дипальмитоиллецитина при температуре чуть выше температуры фазового перехода от 0,46 (рис. 1.6) и угол/3-37 . Это несколько больше, чем нашли Петерсон и Чен для этого липи-да /79/. При увеличении температуры до 57С угол /Ь в бислоях ДПШХ по нашим оценкам должен возрасти до 40,5 /13/. Несмотря на плотную упаковку в кластере, молекулы сохраняют свою подвижность, так что кластер является короткоживущим образованием. К тому же молекулы в нем упакованы с вращательным беспорядком. Следовательно кластер не может рассматриваться как кристаллик микроскопических размеров, скорее это некоторое "сгущение", или "флуктуация упаковки", с размытыми границами. Благодаря вращательной разупорядоченности ("статистическому вращению") можно говорить о наличии гексагональной симметрии плотной упаковки в такой "флуктуации".
Знание расстояний между ближайшими соседями в кластере (в плоскости перпендикулярной продольной оси цепей) и угла наклона участка цепи относительно нормали позволяет оценить среднюю площадь на молекулу. С учетом гексагональной симметрии упаковки: где а - среднее расстояние между ближайшими соседями, /3 -угол наклона цепи относительно нормали. При сі =4,5-4,6 А и Р - 40 площадь на молекулу в кластере равна 56-58 А . В то же время средняя площадь на молекулу в бислое дипальмито-иллецитина при 50 С равна приблизительно 68 А /13/.
Распределение сегментального параметра порядка вдоль цепи позволяет, в принципе, оценить размеры кластеров в направлении, перпендикулярном плоскости бислоя. Если длина гидрофобной части пальмитиновой цепи, например, составляет 20 А, то длина участка CI-C9 равна 10 А. Как уже рассматривалось выше, цепь на этом участке наклонена относительно нормали под углом 30-40 и ее проекция на направление нормали составляет около о 8 А. Таким образом, углеводородная часть бислоя состоит как
Упаковка и движение углеводородных цепей в липидном бислое. Модель "кинков".
Преимущественная средняя ориентация оси вращения углеводородной цепи, вдоль нормали к ламеллярной плоскости обеспечивается в кластере за счет кооперативного движения при сохранении плотной упаковки, причем этот поворот осуществляется за время 10 ft . Ю сек /90/. Если учесть, что угол между направлением С-С связи в углеводородной цепи и направлением про- дольной оси цепи составляет 35 , то наклон цепи под углом 30-40 должен ориентировать половину связей в насыщенной цепи вдоль нормали к плоскости бислоя, что, возможно, облегчает вращение вокруг направления этих связей. Кластерная модель о хорошо объясняет положение 4,6 А рентгеновского рефлекса, толщину бислоя, одинаковую величину параметра порядка для части углеводородной цепи, прилегающей к полярной голове фосфоли-пидной молекулы. Однако эта модель не является единственной, используемой для описания поведения углеводородной области бислоя. Значительно шире, чем кластеры, обсуждается в литературе альтернативная модель "кинков", т.е. гош-тран-гош-изгибов,которые, как предполагается, объясняют основные закономерности упаковки и движения цепей /105/. На рис.2.9 дано схематическое изображение "кинка" в разных проекциях (рисунок сделан с проволочной модели). Хорошо видно, что "кинк", или Qftflf-KOH-формер, оставляет общую ориентацию остальных участков цепи неизменной и при этом как-бы укорачивает на одно звено проекцию цепи на ее продольную ось. Предполагается, что "кинки" непрерывно движутся вдоль цепи, так что каждое звено определенную часть времени находится в транс- или гош-конформации.
Силиг в своем обзоре /90/ отметил, что модель "кинков" едва ли может объяснить наблюдаемое распределение параметра порядка вдоль цепи. Покажем, что эта модель не может объяснить и ряд других экспериментальных результатов. Очевидно, что для любой модели бислоя необходимо основываться на трех основных фактах: I) средняя площадь на молекулу в "жидком" фосфолипидном бислое составляет 60-70 А , в зависимости от состава /13/; Z) средняя ориентация цепей (при временах I0 сек) перпендикулярна плоскости бислоя /13,90/; 3) при фазовом переходе от твердого к "жидкому" бислою парциальный удельный объем фосфолипида, в частности лецитина, возрастает на 2,5-3,5$ /70,76/. Очевидно, что среднее время пребывания звена в транс- и гош-конформации, так же как и число звеньев, находящихся в данный момент времени в транс- или гош-конформации, должно быть пропорционально вероятности ( pt и ра±.) этих конформаций. В частности, для дипальмитоиллецитина при температуре немного выше температуры фазового перехода гель- -жидкий кристалл р, = 0,69 и р -0,31 /86/.
Эти оценки были з± теорииJ сделаны в рамках поворотно-изомерной\гс учетом экспериментально найденного распределения сегментального параметра порядка вдоль цепи и хорошо согласуются с рассмотренными ниже оценками, сделанными в рамках модели "метиленового газа" /13/. В этом случае параметр порядка "усредненного" звена: где Smo дается формулой (I.I). Для участков цепи в транс--конформации перпендикулярных плоскости бислоя Sтзр =1, один гош-поворот приводит к изменению направления нормали к плоскости, проходящей через С-Н связи, на угол 60 (точнее 63). В "кинке", включающем две гош- и одну транс-конформации -звеньев, наклонены нормали двух (а и t ) звеньев, для которых StMi = (З cos 63- /) = -0, і85 Если даже считать р , р и S р одинаковыми для всех звеньев цепи, получается среднее значение параметра порядка Ьто 0,69-0,31 0,185 0,63, что много выше экспериментально найденных значений 0,44-0,46 для СІ-С9; для остальных звень- ев величина SMOf еще меньше. Толщина углеводородной области при данных величинах pq± в модели "кинков" также получается завышенной ( 31 А вместо 26 А, измеряемых для дипальмитоил-лецитина из профилей электронной плотности /13/). Оценим изменение парциального удельного объема при переходе от твердого к "жидкому" бислою. Минимальная средняя площадь на молекулу в "жидком" лецитиновом бислое может быть взя- та равной 60 А , таким образом средняя площадь на цепь, с учетом ее вертикальной ориентации, равна 30 А . Так как площадь сечения цепи в твердом бислое (с учетом упаковки) составляет 20 А , то увеличение площади на цепь в 1,5 раза должна привести к увеличению во столько же раз объема углеводородной области. Однако при оценке изменения объема необходимо учесть только вклад участков в транс-конформации, перпендикулярных плоскости бислоя: где х=тки dcs - площадь -на цепь в жидком и твердом бислое, l/g -объем углеводородной области твердого бислоя, приходящийся в среднем на одну цепь, \.0 - полная длина цепи в транс-конфор- -мации, г - суммарная длина вытянутых участков цепи, перпендикулярных плоскости "жидкого" бислоя. Для пальмитиновой цепи число связей в гош-конформации t\q+ 0,31 »14=4,3 (для метильной группы все конформации одинаковы). Таким образом, на цепь приходится 2,1 "кинка", каждый из которых, как видно на рис.2.9, уменьшает її на одно звено, так что l,/l0 0,85.
Вероятности транс- и гош-состояний метиленовых звеньев в фосфолипидных бислоях
Переход гель-жидкий кристалл является фазовым переходом первого рода /62/. При температуре максимума основного перехода, Тс , низкотемпературная (гелевая) фаза находится в равновесии с жидко-кристаллической, так что где її - число сегментов жирно-кислотной цепи. Значения Д Нсн , Д СН » о и S0 для гомологичных рядов четырех фосфолипи-дов, а также для Н-алканов даны в Таблице 3.1. Величины инкремента превращения, полученные в /91/, несколько отличаются от полученных ранее /80/, и при вычислениях мы будем пользоваться уточненными данными Силига /91/.
Вероятности пребывания "среднего" CHg-звена в транс- и гош-конформации, вычисленные с помощью (3.4), приведены в Таблице 3.2. При сопоставлении этих результатов с вычислениями, сделанными в рамках какой-либо из поворотно-изомерных моделей, необходимо учесть наличие одной "фиксированной" гош--конформации в начале цепи 2 фосфолипида /13,56,90/. Расчеты в рамках поворотно-изомерной теории в приближении самосогласованного молекулярного поля показывают, что tta -последовательность звеньев в начале цели 2 дипальмитоиллецитина является энергетически выгодной /86/.
Очевидно, что pt и р Zpg вычисленные в рамках моде-, лили "метиленового газа" из энтропии фазового перехода, не учитывают эту "замороженную" гош-конформацию, которая реализуется как в твердом, так и в "жидком" бислое. Поправка Др- р-р— » учитывает 2, где п. - число углеродных атомов в цепи. Коэффициент 2Уцепи, а число связей, способных находиться в различающихся t или с[ состояниях равно (1г -2). Вычисленные с учетом этой поправки вероятности pt и рде/ также приведены в Таблице 3.2.
Вероятности ptc =0,685 и рЛ «0,315, вычисленные для дипальмитоиллецитина (16:0/16:0-ФХ), хорошо коррелируют с pt=0,69 и р_+=0,31, вычисленньми для этого липида Шиндлером и Силигом /86/ в рамках поворотно-изомерной теории. Столь близкое совпадение, по-видимому, не является случайным, и рассмотрение углеводородной области бислоя в терминах "газа" квазичастиц правильно отражает физическую природу происходящих процессов.
Переход Н-алканов из кристалла в изотропную жидкость проходит через промежуточное ротационно кристаллическое состояние, характеризующееся гексагональной упаковкой полностью вытянутых углеводородных цепей,ориентационно разупорядоченных относительно общего направления их продольных осей /18/. Для Н-алканов с нечетным числом углеродных атомов п. 9 ("нечетных" Н-алканов) и для "четных" с П 20 "предпереход" от истинного к ротационному кристаллу и "основной" переход ротационный кристалл - изотропная жидкость (плавление) разделены по температуре 18,85/. Для четных с К 20 эти переходы практически сливаются в один. Параметры основного перехода насыщенных парафинов от Сіз%8 ДО С дНед приведены в Таблице 3.3. Данные для короткоцепочечных и длинноцепочечных соединений взяты из работ двух разных авторов, поэтому для веществ, где есть "перекрывание", приведены для сопоставления данные обоих. Зависимость энтропии плавления А ос от числа атомов углерода в молекуле показана на рисунке 3.2. Сразу бросается в глаза различный наклон этой линейной зависимости для 13 И 19 и 21 с п. 29. Для более короткоцепочечных углеводородов необходимо принимать во внимание только результаты для веществ с нечетным числом углеродных атомов, т.к. для "четных" парафинов к чисто конфигурационной энтропии самого плавления добавляется энтропия полиморфного перехода, определяемая возрастанием симметрии при переходе от кристалла к ротационному кристаллу. Инкремент приращения энтропии на CHg--звено Л SCH =7,40 Дж/град моль СЬ . Это совпадает с данными Силига /91/.
Для четных и нечетных Н-алканов с 21 - И 29 величина ASCHZ , вычисленная по методу наименьших квадратов, равна 5,63 Дж/град«моль СНр (рис.3.2). Число П. =20 является критическим как для изменения инкремента приращения энтропии на СК -звено, так и для разделения предперехода и основного перехода у четных Н-алканов. Соответственно, вероятности транс- и гош-конформаций "среднего" звена согласно (3.4) равны: 0,63, р„± 0,37 для нечетных с П 20 и рLU 0,78, pat = 0,22 для всех П. 21: т.е. длинноцепочечные жидкие Н--алканы оказываются даже более упорядоченными, чем некоторые жидко-кристаллические фосфолипиды (см.Таблицу 3.2).
