Elektrochemia Membran Lipidowych
Ważnym składnikiem błon lipidowych, choć występującym w ilościach śladowych, są witaminy. Oprócz tego błony zawierają nieznaczne ilości wolnych kwasów tłuszczowych, lizolipidów, karotenoidów i inne ważne biologicznie cząsteczki.
Lipidy występujące w błonach komórkowych można podzielić na trzy grupy:
Rysunek poniższy przedstawia wzory strukturalne tego typu lipidów.
Fosfolipidy
Fosfolipidy są lipidami, których zawartość w różnego rodzaju błonach jest największa. Zalicza się do tej grupy m.in. fosfatydylocholinę (lecytynę), fosfatydyloetanolaminę, fosfatydyloserynę i fosfatydyloinozytol. Fosfolipidy są pochodnymi glicerolu lub sfingozyny. W fosfoglicerydach dwie grupy hydroksylowe glicerolu są zestryfikowane przez kwasy tłuszczowe, a trzecia przez kwas fosforowy. Łańcuchy kwasów tłuszczowych zawierają przeważnie parzystą liczbę atomów węgla, na ogół w granicach od 14 do 24. Przeważają fosfolipidy o długości łańcuchów węglowodorowych 16 lub 18. Przy takiej długości łańcuchów cząsteczki lipidów mają długość ok. 3.25 nm. Łańcuchy węglowodorowe lipidów występujących w komórkach zwierzęcych nie są rozgałęzione i mogą być nasycone lub nienasycone. Wiązania wielokrotne w konfiguracji cis powodują "zgięcie" długiego łańcucha węglowodorowego i w efekcie cząsteczki zajmują większą przestrzeń. Długość łańcuchów węglowodorowych oraz stopień ich nasycenia ma duży wpływ na płynność błon.
Glikolipidy
Glikolipidy są pochodnymi sfingozyny zawierającymi grupy cukrowe. Grupa aminowa szkieletu sfingozynowego w glikolipidach jest zacylowana kwasem tłuszczowym. Najprostszym glikolipidem jest cerebrozyd.
Cholesterol
Cholesterol jest związkiem z grupy sterydów występującym wyłącznie w komórkach eukariotycznych. Duże jego ilości zawarte są w błonach plazmatycznych komórek takich, jak erytrocyty, czy mielinowe włókna nerwowe. Zawartość cholesterolu jest wyższa w błonach plazmatycznych niż wewnątrzkomórkowych. Związek ten pełni ważną rolę w błonach biologicznych. Sztywna struktura pierścieni cholesterolu ogranicza ruchy sąsiednich cząsteczek fosfolipidów, a zatem wysoka zawartość cholesterolu w błonie powoduje zmniejszenie jej płynności. W temperaturach niższych od temperatury przejścia fazowego pierścienie cholesterolu stanowią przeszkodę w osiągnięciu przez błonę stanu żelu. Cholesterol jest więc swoistym buforem pomagającym zachować właściwą płynność błony w szerokim przedziale temperatur. Cholesterol wpływa również na takie właściwości fizyczne błon jak stabilność i przepuszczalność. Przenikanie cząsteczek przez błony może następować poprzez tzw. defekty, które powstają samoczynnie w strukturze dwuwarstwy. Są one wynikiem ruchów węglowodorowych fragmentów cząsteczek lipidów związanych z obrotami wokół wiązań podwójnych. Cholesterol ogranicza te ruchy, powodując zmniejszenie przepuszczalności błon dla niewielkich kationów, np. K+.
Lipidy nietypowe
Niektóre błony biologiczne zawierają także lipidy nietypowe. Na przykład organizmy żyjące w środowisku o wysokiej temperaturze (gorące źródła, gejzery) posiadają zdolność wytwarzania lipidów długołańcuchowych (np. 32-węglowych) z grupami hydrofilowymi na obu końcach. Lipidy takie "spinają błonę" i stabilizują ją.
Skład sztucznych membran lipidowych
Sztuczne błony lipidowe mogą być formowane z różnego rodzaju polarnych lipidów, zarówno naturalnych jak też i syntetycznych. Naturalne lipidy pozwalają na tworzenie membran o właściwościach zbliżonych do błon biologicznych. Lipidy pochodzenia naturalnego są zwykle ekstrahowane z tkanek zwierzęcych, czasem z żółtek jaj lub ziaren soi. Stanowią one mieszaniny cząsteczek lipidów zawierających łańcuchy węglowodorowe o różnych długościach, różnej liczbie i położeniu wiązań podwójnych. Do tworzenia membran nie jest używany czysty cholesterol, gdyż nie tworzy on dwuwarstw o płynnej strukturze. Membrany mogą być natomiast formowane z "utlenionego cholesterolu", który jest mieszaniną wielu produktów reakcji cholesterolu z tlenem. Stosowanie lipidów syntetycznych umożliwia tworzenie błon o określonych parametrach, np. grubości, płynności, ładunku powierzchniowym, przewodnictwie, pojemności itp. Możliwe jest badanie aktywności układów rekonstruowanych z błon biologicznych, jak też nadanie membranom pewnych szczególnych cech, np. zdolności fluorescencyjnych, kompleksujących lub magnetycznych. Syntetyczne lipidy pozwalają na tworzenie membran o dużej trwałości i stabilności. Podczas syntezy lipidom nadać można cechy, które umożliwiłyby ich wykorzystanie przy budowie przetworników molekularnych i biosensorów.
Źródło:
Wydział Chemii
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski
Kontakt:
dr Stanisława Koronkiewicz stankor@uwm.edu.pl
Tematyka badawcza dotycząca właściwości i zastosowań membran lipidowych rozwijana jest w Katedrze Chemii UWM od kilku lat. Prace skupiają się na kilku zasadniczych zagadnieniach:
- Badania właściwości elektrycznych dwuwarstwowych membran lipidowych.W ramach tej tematyki badane są zjawiska elektrokompresji i elektroporacji membran lipidowych.
- Wykorzystanie dwuwarstw i monowarstw lipidowych osadzonych na żelu lub metalu w konstrukcji czujników elektrochemicznych i biosensorów.
- Rozwój metod badawczych i aparatury pomiarowej pozwalającej na badania właściwości elektrycznych membran lipidowych.
http://laboratoria.net/edukacja/3266.html