Механизм и термодинамика многоуровневых структурных переходов в жидких кристаллах в условиях внешних воздействий

УДК 620.194.8

Механизм и термодинамика многоуровневых структурных переходов в жидких кристаллах в условиях внешних воздействий

JI.E. Панин, В.Г. Куницын

Научно-исследовательский институт биохимии СО РАМН, Новосибирск, 630117, Россия

Изучение температурной зависимости вязкости г| и электропроводности о липопротеинов сыворотки крови высокой, низкой и очень низкой плотности, а также аполипопротеина А1 выявило наличие аномальной области Тс в интервале температур (35-38) ± ± 0.5 °С. Ширина перехода составляла 2 °С. Рассчитаны энтальпия вязкого течения, энергия активации АН, энтальпия перехода АДпер, а также температурные коэффициенты Дг|/ДГ и Аа/АТ по обе стороны от Гс. Выявленные аномальные изменения вязкости и электропроводности для всех классов липопротеинов обусловлены структурными фазовыми переходами в области физиологических изменений температур. Они наблюдаются как в липидном, так и в белковом компоненте липопротеинов. Поскольку величина АНперехода в липопротеинах высокой плотности мала, можно думать, что в данном случае имеет место ориентационный переход в фосфолипидах типа смектик А С, который относят к фазовому переходу второго рода. Структурный переход в аполипопротеине А1 также можно отнести к фазовому переходу второго рода, так как энтальпия этого перехода очень мала. Он обусловлен изменением симметрии вследствие изменения вторичной структуры белка (переход клубок Р-структура). В липопротеинах очень низкой плотности, вероятно, имеет место переход смектик —> холестерик. Аналогичные структурные переходы выявлены в эритроцитарных мембранах у участников трансарктического лыжного перехода СССР - Северный Полюс - Канада, обусловленные действием экстремальных факторов. Полученные результаты говорят о том, что биологические жидкокристаллические структуры (липопротеины, клеточные мембраны) могут находиться в различных термодинамических состояниях, что отражается на их свойствах. Это сближает их поведение с поведением твердых кристаллов в полях внешних воздействий.

Ключевые слова: плазматические мембраны, липопротеины, ИК-спектры, структурные фазовые переходы

Mechanism and thermodynamics of multilevel structural transitions in liquid crystals under external actions

L.E. Panin and V.G. Kunitsyn

Institute of Biochemistry SB RAMS, Novosibirsk, 630117, Russia

The study of the temperature dependence of viscosity r| and electroconductivity о of high, low and very low density lipoproteins of blood serum as well as of apolipoprotein A1 reveals an anomalous region in the temperature range Tc = (35-38) ± 0.5 °C. The transition width is 2°C. Enthalpy of viscous flow, activation energy AH, transition enthalpy AHb:ms and temperature coefficients Дг|/ДГ and Aa/AT on either side of Tc are calculated. Found abnormal changes in viscosity and electroconductivity for all lipoprotein classes are governed by structural phase transitions in the physiological temperature range. They are observed both in lipoprotein lipids and proteins. As a value of AHb:ms in high-density lipoproteins is small, one is inclined to think that in this case phospholipids are characterized by an orientational smectic A <-> smectic С transition that is referred to the second-order phase transition. A structural transition in apolipoprotein A1 can also be referred to the second-order transition, as the enthalpy of this transition is very low. It is induced by the symmetry variation due to changes in the secondary protein structure (coil <-> P-structure transition). Evidently, a smectic —> cholesteric transition occurs in very low-density lipoproteins. Similar structural transitions are found in erythrocyte membranes of participants of the Soviet-Canadian transarctic ski expedition under extreme conditions. The obtained results prove that biological liquid-crystalline structures (lipoproteins, cell membranes) can be in different thermodynamic states, which influences their properties. This fact makes the behavior of liquid and solid crystals similar in external action fields.

Keywords', plasma membranes, lipoproteins, infrared spectra, structural phase transitions

© Панин Л.Е, Куницын В.Г, 2008

1. Введение

Жидкие кристаллы представляют огромный интерес в связи с тем, что они играли исключительно важную роль в зарождении жизни на Земле, в формировании всех биологических объектов любой степени сложности, начиная с вирусов, бактерий и заканчивая клеткой [1]. Понять механизм слаженной работы клетки без учета жидкокристаллических свойств образующих ее мембран невозможно. Все биологические мембраны имеют белково-липидную природу. Их основу составляет фосфолипидный бислой. Гидрофильные головки фосфолипидов обращены наружу, а гидрофобные «хвосты» (остатки жирных кислот) — внутрь. Анизотропия фосфолипидного бислоя нарушается погруженными в него различными белками. Последние в биологических мембранах играют роль ионных каналов, различных переносчиков, рецепторов медиаторов и гормонов, ферментов и т.д. Важная роль биологических мембран заключается и в том, что они разделяют внутриклеточное пространство на функционально дифференцированные отсеки. Это эндоплазматическая сеть клетки, мембраны ядра, митохондрий, лизосом и т.д. Они играют роль своеобразных матриц, с которыми связаны многочисленные ферменты: синтетические, окислительные, гидролитические и др. Все это позволяет природе создавать сложнейшие «фабрики» в миниатюре в объеме клетки, преодолевать беспорядок, хаос и определять векторный характер обмена веществ. Биологические мембраны и внутриклеточные белковые коллоидные растворы образуют сложную функциональную кооперативную систему с механизмами саморегуляции физико-химической природы.

В периферической крови важными представителями жидкокристаллических структур являются липопротеи-ны различного класса плотности: высокой, низкой и очень низкой. Это сферические частицы, внутреннее ядро которых образовано триглицеридами и растворенными в них эфирами холестерина. Фосфолипидный монослой и погруженные в него белки (аполипопротеи-ны) образуют внешнюю оболочку липопротеинов. По структуре она напоминает биологические мембраны. Благодаря такой гидрофильной оболочке все липопро-теины являются хорошей транспортной формой для жира, жирорастворимых соединений и гидрофобных ксенобиотиков.

Структуру биологических мембран и липопротеинов стабилизируют четыре типа сил: ковалентные и водородные связи, слабые электростатические и гидрофобные взаимодействия. Последние относятся к низкоэнергетическим связям.

В твердых кристаллах в результате высокой плотности упаковки образующих их атомов формируется обобществленный пул внешних электронов, которые испытывают сильные квантовомеханические взаимодействия с положительно заряженными ядрами атомов

кристаллической решетки. Это отличает поведение жидких кристаллов от твердых. Однако твердые кристаллы, также как и жидкокристаллические биологические объекты (мембраны, липопротеины) имеют гетерогенную внутреннюю структуру, для которой характерно наличие интерфейсов нано-, микро- и мезомасштабов, что определяет общие принципы их поведения в полях внешних воздействий [2, 3]. В данной работе развивается мультидисциплинарный подход к описанию процессов массопереноса в интерфейсных средах живой и неживой природы на основе структурных фазовых переходов, обусловленных действием внешних факторов различной природы.

2. Аномальные изменения вязкости в липопротеинах крови в области физиологической температуры

Применение вискозиметрии для оценки свойств жидких кристаллов чрезвычайно эффективно [4]. Во-пер-вых, это высокая чувствительность метода к структурным превращениям, во-вторых, это сохранение натив-ности изучаемого объекта. Измерение вязкости растворов липопротеинов высокой плотности крыс (0.9% раствор 1ЧаС1, рН 6.1) в интервале температур 17-26 °С выявило наличие аномальности Тс при 22-23 °С. Вторая аномальная область обнаружена в интервале температур 33-42 °С. Скачкообразное изменение вязкости Аг) приходилось на 35-36 °С (рис. 1, а). Немаловажным оказался и электролитный состав среды. Например, температурная зависимость вязкости Аг^Т7) для растворов липопротеинов высокой плотности в К+-, Ыа -фосфатном буфере (С = 0.02 М, рН 7.35) выявила сдвиг Тс в области 37.5 °С, т.е. на 1-2 °С выше (рис. 1, б). Изменение вязкости Аг) в интервале температур 34—4-0 °С составляло 5.2 %. Температурный коэффициент вязкости в интервале температур 34-3 7 °С равен 2.93 • 10 5 кг/м • с, авинтервале 37-40 °С уменьшается до 1.07-10 5 кг/м-с. Таким образом, температурный коэффициент вязкости по обе стороны от Тс отличался в 2.75 раза. Измерение температурной зависимости вязкости растворов 1ЧаС1 и К+-, ]Ча+-фосфатного буфера не выявило аномальных изменений в интервале температур 17-42 °С.

Результаты измерения температурной зависимости вязкости растворов липопротеинов низкой плотности представлены на рис. 1, в. Видно, что аномальная область этой фракции липопротеинов обнаруживается при температуре 37.5 °С. Интенсивность «всплеска» вязкости заметно ниже, чем у липопротеинов высокой плотности. Температурный коэффициент вязкости ниже Тс составлял 2.6-10~5± 3-10~7 кг/(м-с-°С), а выше Тс — 1.0-10-5 ± 3-10 7 кг/(м-с-°С). Отношение этих величин составляло 2.6.

Температурная зависимость вязкости растворов липопротеинов очень низкой плотности представлена на рис. 1, г. Видно, что аномальная область АГзанима-

-29.5

103/Т, К"1

3.215

3.237 3.256

-2.70

5)-2800

-3200

3.215

103/Т, К"1

3.237

3.256

Рис. 1. Вязкость коллоидных растворов

ет 2 °С, а Тс находится при температуре 37 °С. Температурный коэффициент вязкости ниже Гс составлял 1.71-10 5± 3-10 7 кт/(м• с • °С), а выше Гс— 1.21-10 5± ±3 • 10 7 кг/(м • с • °С). Расчет теплоты (энтальпии) вязкого течения для липопротеииов по обе стороны от Гс и вычисление разности этих величин (АНпер— условная теплота перехода) показали, что при достаточно высокой ионной силе раствора энергия активации вязкого течения небольшая. Еще меньшую величину составляет А//пер. В большей степени это проявляется в растворах липопротеииов высокой плотности. Полученные результаты суммированы в табл. 1.

Таким образом, мы видим, что липопротеины крови как жидкокристаллические структуры при изменении температуры среды даже в физиологически допустимых границах претерпевают структурные изменения, существенно отражающиеся на их вязкостных и термодинамических характеристиках. Это переход в другое тер-

модинамически устойчивое состояние. Малые величины энтальпии переходов говорят о том, что в них принимают участие низкоэнергетические взаимодействия: гидрофобные (1-3 ккал/моль), ван-дер-ваальсовы силы (1 ккал/моль) и водородные связи (=5 ккал/моль). Температурные переходы в липопротеинах высокой плотности по сравнению с липопротеинами низкой и очень низкой плотности проявлялись ярче, что, вероятно, обусловлено высоким содержанием в них белка.

На основе представлений о жидкокристаллической природе структуры липопротеииов можно понять и механизм аномальных изменений вязкости.

Число Рейнольдса Яе, характеризующее скорость течения жидкости в капилляре вискозиметра, в наших исследованиях составляло 200, что на порядок меньше той величины, при которой ламинарное течение переходит в турбулентное (Яе = 2 300). При ламинарном течении не происходит деформации частиц липопротеииов.

Таблица 1

Температурный коэффициент вязкости липопротеииов крыс при температурах ниже и выше точки перехода Тс

Температура относительно точки перехода Липопротеины высокой плотности Липопротеины низкой плотности Липопротеины очень низкой плотности

Ниже Тс 2.93-10 5 ± 3-10 7 2.6-10 5± 3 • 10 7 1.71-10 5± 3-10 7

Выше Тс 1.07-10 5 ± 3-10 7 1.0-10"5±3-107 1.2110 5± 3 10 7

АЯ„ер 0.63 ± 0.03 2.78 ± 0.03 0.74 ± 0.03

Это позволяет предположить, что трение между слоями жидкости обусловлено взаимодействием молекул, находящихся на поверхности частиц.

Известно, что вязкость жидкокристаллических структур (мезофаз) является отражением внутреннего порядка молекулярной ориентации, и ее зависимость от температуры должна коррелировать с параметром порядка .У. Теоретические расчеты приводят к выводу, что коэффициент вязкости почти пропорционален параметру порядка .У. В смектической А-фазе параметр порядка выражается через .У - + где — параметр порядка в нематической фазе, а ст.? — величина, учитывающая добавочное ориентационное упорядочение при образовании смектической фазы [4]. Таким образом, можно предположить, что аномальное изменение вязкости липопротеинов в области физиологически допустимых изменений температуры (36-38 °С) обусловлено изменением параметра порядка. Согласно теории структурных фазовых переходов Ландау вблизи точек фазовых переходов наблюдаются флуктуации параметра порядка, а также изменение симметрии и скачок теплоемкости [5, 6].

Свойства липопротеинов как жидкокристаллических структур определяются присутствием в них анизотропных молекул: фосфолипидов, холестерина и его эфиров, триглицеридов, а также белков (аполипопро-теинов). Как правило, они реализуются через образование структур типа смектик, холестерик, нематик или изотропное состояние, а также через переходы между ними. Следует отметить, что в липопротеинах высокой и низкой плотности параметр упорядоченности фосфолипидов достаточно высокий и в интервале температур 35-40 °С составляет 0.65-0.60 [7]. Микровязкость для липопротеинов высокой плотности составляет 0.5 Па-с, низкой плотности — 0.6 Па-с, очень низкой плотности — 0.1 Па • с, а параметр упорядоченности для них — 0.3-0.1 [8]. Отсюда следует, что липопротеины — нерыхлые образования, и структурные переходы в них должны носить кооперативный характер. Учитывая небольшую величину энтальпии переходов, есть основание предполагать, что на поверхности липопротеинов высокой плотности происходят переходы типа смектик А —> С. Энтальпия такого перехода составляет 0.01-0.66 ккал/моль, и его относят к фазовому переходу второго рода [9]. Подобный переход связан с синхронным изменением угла наклона углеводородных цепей кластеров фосфолипидов и холестерина относительно нормали к поверхности частицы. Он сопровождается изменением симметрии и скачком теплоемкости [9]. В силу кооперативности структуры липопротеинов переход на поверхности частицы индуцирует переходы и в более глубоких ее слоях.

Переход в липопротеинах низкой плотности, зарегистрированный нами в области 37.5 °С, с энтальпией пере-

хода 2.78 ккал/моль, по-видимому, следует отнести к переходу смектик —> нематик. Известно, что энтальпия перехода смектик —> нематик составляет 0.16-2.3 ккал/моль [4], а параметр упорядоченности фосфолипидов в интервале температур 35-40 °С меняется мало: в пределах 0.65-0.60 [7]. Это наблюдалось и в нашем случае. Для липопротеинов низкой плотности изменение теплоты активации вязкого течения ниже Тс было в 3.24 раза больше, чем выше Тс. Это указывает на меньшую упорядоченность и большую гидратированность поверхности липопротеинов в высокотемпературной области.

В липопротеинах очень низкой плотности мы, вероятно, имели дело с переходом типа смектик —> холестерик. Энтальпия перехода составляла 0.74 ± ± 0.03 ккал/моль. Согласно литературным данным АН такого перехода находится в пределах 0.5-1.1 ккал/моль [10]. В данной работе также отмечалось уменьшение вязкости белков (аполипопротеинов) с повышением температуры. Выявлены аномальные изменения вязкости ano Al при Т — 36-37 °С. Это, вероятно, связано с переходом клубок —> a-спираль. Возможен также переход клубок —> (3-структура [11]. Переход клубок —> (¡-структура связан с изменением симметрии, и его относят к фазовому переходу второго рода. Наблюдаемый нами скачок вязкости связан и со скачком теплоемкости, характерным для фазового перехода второго рода [5].

Учитывая эти обстоятельства, мы полагаем, что, по крайней мере, в липопротеинах высокой плотности переход при 37-38 °С инициируется белковым компонентом.

Существует взаимосвязь между вязкостью и удельной электропроводностью. Она обусловлена уравнениями Смолуховского и Вальдена [4]. В связи с этим мы оценивали также в липопротеинах изменение удельной электропроводности.

3. Аномальные изменения удельной электропроводности в липопротеинах крови в области физиологической температуры

Удельную электропроводность измеряли в кондукто-метрической ячейке длиной 1.8 см с объемом жидкости 0.7 мл. Режим кондуктометрии: платиновые электроды, напряжение в кювете — 2 В, частота переменного тока — 2 000 Гц. Содержимое кюветы термостатировали с помощью ультратермостата U-4 (Германия). Концентрацию водородных ионов определяли на рН-метре ОР 211/1 Radelkis (Венгрия) с точностью до ±0.05. Энергию активации рассчитывали по формуле:

„. „. -Е/кТ

а = а0е ' ,

где ст0 — константа, зависящая от типа вещества; к — постоянная Больцмана; Е — энергия активации; Т — абсолютная температура. Исследовали температурную

зависимость удельной электропроводности а липопро-теинов крыс высокой, низкой и очень низкой плотности в К+-, №+-фосфатном буфере (С = 0.0002 М, рН 7.24) в интервале температур 33-41 °С. Содержание липопро-теинов определялось по белку: для липопротеинов высокой плотности — 1 мг/мл, низкой плотности — 0.6 мг/мл, очень низкой плотности — 0.5 мг/мл. Разные концентрации зависели от разного исходного содержания белка в липопротеинах. Самое высокое оно в липо-протеинах высокой плотности. Полученные результаты представлены на рис. 2. Видно, что в растворах липопротеинов высокой плотности выявляется аномальная область Гс при 37 °С. Температурный коэффициент удельной электропроводности Да/АТ ниже Гс в 1.5 раза меньше значения коэффициента выше Гс. Интегральная величина изменения удельной электропроводности Да в интервале температур 33-40 °С была равна 0.015 (Ом-м)-1. В растворах липопротеинов низкой плотности также обнаружена аномальная область, лежащая в пределах 37-38 °С. Выраженность этой области меньше, чем в липопротеинах высокой плотности. Температурный коэффициент удельной электропроводности ниже Гс в 1.06 раза меньше значения коэффициента выше Гс. Интегральная величина Да в этом случае составляла 0.019 (Ом-м)-1. Аналитический вид функции а(Г) для липопротеинов низкой плотности, как и для липопротеинов высокой плотности по обе стороны от Гс различный. В растворах липопротеинов очень низкой плотности обнаружена аномальная область при температуре 35 °С (рис. 2). Интегральная величина Да в интервале температур 33-40 °С составляла 0.006 (Ом • м) 1.

Результаты измерения коэффициента удельной электропроводности суммированы в табл. 2.

Значения энергии активации и энтальпии перехода в липопротеинах крыс представлены в табл. 3. Они оказались выше, чем в липопротеинах человека, полу-

103/Т, К"1

3.205 3.225 3.246 3.266

Рис. 2. Температурная зависимость удельной электропроводности липопротеинов крыс

ченных нами ранее [12]. Это обусловлено видовыми различиями структуры, прежде всего, содержанием фосфолипидов. В энергетические характеристики при структурных переходах большой вклад вносят увеличение заряда частиц липопротеинов и ^-потенциала при низкой ионной силе электролита, который в этом случае пропорционален 1 Д/с [13].

Таким образом, энергия активации и энтальпия перехода на кривых а(Г) обусловлены изменением структуры липопротеинов и появлением дополнительных внут-

Таблица 2

Температурный коэффициент удельной электропроводности липопротеинов крыс относительно точки перехода Тс

Температура относительно точки перехода Липопротеины высокой плотности Липопротеины низкой плотности Липопротеины очень низкой плотности

Ниже Тс (2.11 ±0.03)-10 4 (1.52 ±0.03)-10 4 (7.73 ±0.04)-10 4

Выше Тс (3.13 ±0.03)-10 4 (1.66 ±0.03)-10 4 (7.11 ±0.04)-10 4

Примечание. Полученные различия достоверны, р < 0.03 Таблица 3

Энергия активации удельной электропроводности липопротеинов крыс относительно точки перехода Тс и энтальпия перехода АНпер

Температура относительно точки перехода Липопротеины высокой плотности Липопротеины низкой плотности Липопротеины очень низкой плотности

Ниже Тс 10.89 ±0.32 12.40 ± 0.36 13.43 ±0.45

Выше Тс 9.07 ± 0.32 9.62 ± 0.36 7.65 ± 0.45

АЯпер 1.82 ±0.32 2.78 ±0.36 5.78 ± 0.45

римолекулярных взаимодействий электростатической природы, возникающих при низкой ионной силе электролита.

Известно, что электропроводность тесно связана с вязкостью в уравнении Смолуховского и Вальдена [4, 14]. Полученные нами температурные зависимости вязкости липопротеинов и ano Al также демонстрируют эту взаимосвязь. Аномальное изменение вязкости от температуры регистрируется в области 36-38 °С. Удельная электропроводность тесно связана и с диэлектрической проницаемостью [15]. Согласно [16] флуктуации диэлектрической проницаемости связаны с флуктуа-циями параметра порядка. Следовательно, флуктуации удельной электропроводности определяются флуктуа-циями параметра порядка. Согласно теории Ландау [6] вблизи точек фазовых переходов наблюдаются флуктуации параметра порядка. На флуктуации физических параметров можно оказывать влияние либо действием слабых внешних полей как электрических, так и магнитных, либо с помощью фармакологических препаратов, которые влияют на степень упорядоченности структуры. Это особенно важно для биологических объектов (человека), находящихся в экстремальных условиях окружающей среды.

Однако флуктуации параметра порядка — это не единственный критерий структурных фазовых переходов. Например, в основе теории фазовых переходов второго рода лежит изменение симметрии [6]. Это в полной мере имеет отношение к переходу смектик А <-» С. В связи с этим мы допускаем, что важную роль в структурных фазовых переходах в липопротеинах и аполипопротеи-нах играет также изменение симметрии в белковом компоненте (аполипопротеинах).

Таким образом, аномальное изменение удельной электропроводности в растворах липопротеинов следует связывать как с фазовым переходом в липидах, так и с изменением вторичной структуры белков (аполипо-протеинов). Этот вывод особенно важен для биологических мембран, в которых при этом могут нарушаться липид-липидные, белок-липидные и белок-белковые взаимоотношения, а следовательно, и функция самих мембран.

4. Аномальные изменения вязкости и удельной электропроводности в эритроцитарных мембранах

Эти исследования были проведены на участниках советско-канадского трансарктического лыжного перехода (13 испытателей) пос. Диксон (СССР) - Северный Полюс - Канада в период полярного дня [17]. Здесь представлены результаты анализа структурно-функциональных характеристик эритроцитарных мембран при длительном пребывании человека (около трех месяцев) в условиях арктических пустынь. Изучение электрических свойств эритроцитарных мембран показало, что

0.8361

О

о

^ 0.8681 О

jD

о 0.8961

х

5

ш

^ 0.9259 о о. н

S 0.9579

о;

СО

х

л

аЗ 0.9921

Рис. 3. Температурная зависимость удельной электропроводности взвесей «теней» эритроцитов в пос. Диксон

зависимости удельной электропроводности от температуры а(Г), как правило, имеют вид нелинейной функции. Низкотемпературный участок описывается экспоненциальной зависимостью, тогда как высокотемпературный участок близок к линейной зависимости (рис. 3). Изменение вида функции в точке фазового перехода Гс, по-видимому, связано с изменением вязкости, степени ионизации и других характеристик. Измерение удельной электропроводности в интервале температур 33-42 °С выявило снижение ее на 30 % на Полюсе и на 25 % в Канаде. Анализ зависимости о(Т) позволил рассчитать энергию активации Еа1 и Еа2 по обе стороны от Тс (табл. 4). Отличие отношения ЕаХ/ Еа2 от единицы подтверждает изменение характера зависимости во время лыжного перехода. Положение Тс у испытателей варьировало в пределах 2-3 °С, а среднее значение приходилось на 37.2 °С в России и на 37.8 °С в Канаде.

Измерение вязкости взвесей эритроцитов проводилось в диапазоне температур 34-42 °С. Показано, что Тс лежит в интервале 36-38 °С, а ширина перехода составляет 2-3 °С (рис. 4). Выявлены значительные изменения по интенсивности «всплеска». Наибольшей она была на Диксоне и наименьшей — в Канаде. Это связа-

Таблица 4

Изменение удельной электропроводности и энергии активации Еа «теней» эритроцитов в интервале 33-42 °С

Пункт тс, °с Да, (Ом • м) 1 Еа\/Еа2

Пос. Диксон 37.18 ±0.38 0.131 ±0.010 1.64 ±0.14

Полюс 37.56 ± 0.35 0.101 ±0.011 2.31 ±0.37

Канада 37.80 ± 0.27 0.105 ±0.010 2.11 ±0.29

?

ч \ -1 X \ \ : V\

X \ \ Тс= 36.7 °С \1

X ч\ | 37.5 °С "Ч. „ . i i

_i_i_i_i_i_

34 36 38 40 42

о

"В 50

а> х

I 46

о. ^

I 44

н ^

о. о

£ 42 о

о ^

со

Рис. 4. Температурная зависимость вязкости взвесей «теней» эритроцитов в пос. Диксон

но, вероятно, со снижением упорядоченности структуры мембран эритроцитов, например со снижением анизотропии. Среднее значение Гс в этих условиях изменялось в пределах 36.7-37.2 °С.

В динамике перехода заметно изменялась вязкость в интервале температур 34-42 °С: Аг| на Диксоне составляла 18.2 ± 1.4 %, на Полюсе — 14.4 ± 1.9 %, в Канаде — 21.8 ± 1.8 %. Эти результаты указывают на увеличение текучести мембран в конце перехода (Канада). Возможно, это проявление адаптационных механизмов. Анализ ПК-спектров «теней» эритроцитов показал, что соотношение полос поглощения СОр/РОС значительно меняется: в середине (Полюс) и в конце пути (Оттава) оно в 1.4 раза больше, чем в начале (Диксон). Эта величина очень важна, так как определяет отношение в мембранах белок/фосфолипиды. Интенсивность полосы 1745 см 1 (СО-связи) и 2 700-3 ООО см 1 (СН-связи) снижалась на 30 % на Полюсе и в Канаде по сравнению с Россией. Учитывая, что интенсивность полосы поглощения пептидной связи (СО) стандартизовалась в процессе измерения, можно говорить о снижении содержания фосфолипидов в эритроцитарных мембранах в динамике перехода. Интересно, что при этом значительно (на 22 %) снижалось содержание гемоглобина в эритроцитах. Обнаружено изменение интегральной интенсивности полосы поглощения Р-О-С от температуры, что соответствует снижению степени упорядоченности фосфолипидов в области 36-40 °С.

Обнаруженные нами изменения структуры эритроцитарных мембран не могли не сказаться на активности мембраносвязанных ферментов. К+-АТФаза —

важнейший из них. Она определяет разделение и К+ по обе стороны мембраны, ее электрохимический потенциал. Показано, что температурный оптимум фер-

мента лежит в пределах 37-38 °С и совпадает с точкой фазового перехода. Как и следовало ожидать, структурные изменения эритроцитарных мембран сопровождались снижением активности фермента: на Полюсе — в 1.44 раза, в Канаде — в 1.27 раза по сравнению с Россией.

Таким образом, полученные нами результаты свидетельствуют о том, что липопротеины крови и плазматические мембраны ведут себя как жидкокристаллические структуры. Изменение их свойств зависит от структурных фазовых переходов типа смектик А —» смектик С, смектик —» холестерик, нематик —» изотропное состояние. В аполипопротеинах и мембрано связанных белках важную роль играют переходы клубок —» а-спираль и клубок —» (3-структура. В биологических жидких кристаллах (липопротеины, клеточные мембраны) фазовые переходы затрагивают как белковый, так и липидный компонент. Чаще всего инициация переходов связана с внешней поверхностью жидкого кристалла, которая в силу кооперативности распространяется на более глубокие его слои. При этом меняется не только структура, но и свойства жидких кристаллов.

5. Заключение

Биологические мембраны играют исключительно важную роль в процессах самоорганизации обмена веществ в клетке. Это транспорт органических соединений через клеточные (плазматические) мембраны, связанный с поступлением питательных веществ внутрь клетки и выведением продуктов их распада (метаболизма) наружу. Это диффузия газов (02, С02) через клеточную мембрану. Это пассивный и активный перенос ионов и создание электрохимического потенциала на внешней и внутренней поверхности плазматических мембран и многие другие процессы.

Аналогами мембранных структур в периферической крови являются липопротеины. С ними связан перенос различных веществ (холестерина, фосфолипидов, гормонов, некоторых витаминов и т.д.) между клетками. Все эти структуры по своей природе являются жидкими кристаллами. Поведение их в организме подчиняется физико-химическим законам. По механизму самоорганизации — это многоуровневые системы.

Под многоуровневыми системами понимается «иерархия масштабов потери сдвиговой устойчивости внутренней структуры в локальных зонах нагруженного материала на нано-, микро-, мезо- и макромасштабных уровнях» [18]. В жидких кристаллах это связано с ли-пид-липидными, белок-липидными и белок-белковыми взаимодействиями, т.е. с кооперативностью поведения жидкого кристалла как системы. Упорядоченность таких кристаллов, как и природа образующих их компонентов, определяются ковалентными и водородными связями, слабыми электростатическими и гидрофоб-

34 36 38 40 42 Т, °С

ными взаимодействиями. Нарушение сдвиговой устойчивости природных жидких кристаллов зависит от структурных фазовых переходов. Это образование таких структур, как смектик, холестерик, нематик, изотропное состояние и переходы между ними. Для мембраносвя-занных белков большое значение имеют такие состояния, как а-спираль, (¡-структура и хаотический клубок. Структурные переходы могут носить как обратимый, так и необратимый характер. В последнем случае в таких жидких кристаллах накапливаются дефекты, которые делают невозможным выполнение ряда функций клеточных мембран. Клетка погибает. Инициируются такие переходы, как правило, на поверхности клеточных мембран или частиц липопротеинов и в силу кооперативное™ распространяются на более глубокие слои. Они могут также инициироваться на внутренних границах раздела мембраны или частицы и быть связаны как с липидами, так и белками.

Таким образом, речь идет о разных термодинамических состояниях жидких кристаллов. Малая величина энтальпии переходов говорит о том, что в них участвуют низкоэнергетические связи, главным образом, водородные связи, слабые электростатические и гидрофобные взаимодействия. Действие внешних факторов, способных изменять (нарушать) данные взаимодействия, имеет также физико-химическую природу. Это может быть изменение температуры, рН среды, электролитного состава и некоторые другие. Однако это все не носит принципиального характера, и поведение жидких кристаллов в условиях внешних воздействий укладывается в те же представления, что и поведение твердых кристаллов.

Литература

1. Панин Л.Е. Детерминантные системы в физике, химии, биологии. -

Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2006. - 200 с.

2. Панин В.Е., Панин Л.Е. Масштабные уровни гомеостаза в деформи-

руемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 4. - С. 5—

23.

3. Панин Л.Е., Панин В.Е. Эффект «шахматной доски» и процессы массопереноса в интерфейсных средах живой и неживой природы // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 6. - С. 5-20.

4. Капустин А.П. Экспериментальные исследования жидких кристал-

лов. - М.: Наука, 1978. - 368 с.

5. Паташинский А.З., Покровский В.П. Флуктуационная теория фазо-

вых переходов. - М.: Наука, 1982. - 382 с.

6. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Ч. 1. - М.: Наука, 1976. - 583 с.

7. Медведев Н.В., Морозкин АД., Бушмакина Н.Г., Мишарин А.Ю., Рууге Э.К Сравнительное исследование упаковки липидов в липо-протеинах высокой плотности и липопротеинах низкой плотности с помощью спиновых зондов // Биологические мембраны. -1987. - Т. 4. - С. 849-855.

8. Климов А.Н., Никульчева П.Г. Липиды, липопротеиды и атеросклероз. - С-Петербург: Питер, 1999. - 298 с.

9. Анисимов М.А. Критические явления в жидкостях и жидких крис-

таллах. - М.: Наука, 1987. - 270 с.

10. Morrisett G.D., Guiton J.R., Gaubatz J.W. Lipoprotein (a): Structure, Metabolism and Epidemiology // Plasma Lipoproteins / Ed. by A.M. Gotto. - Amsterdam: Elsevier, 1987. - P. 129-151.

11. Kunitsyn V.G., Panin L.E., Polyakov L.M. Anomalous change of viscosity and conductivity in blood plasma lipoproteins in the physiological temperature range 11 Int. J. Quantum Chem. - 2001. - V. 81. -P. 348-369.

12. Куницын В.Г., Панин Л.Е., Поляков Л.М. Аномальное изменение удельной электропроводности в липопротеинах в области физиологической температуры // Биофизика. - 1999. - Т. 44. - С. 861-869.

13. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. -JL: Химия, 1974. -351 с.

14. Воющий С. С. Курс коллоидной химии.-М.: Химия, 1964.-574 с.

15. Челидзе Т.Л., Деревянко А.Н., Куриленко ОД. Электрическая спектроскопия гетерогенных систем. - Киев: Наукова думка, 1977.-231 с.

16. Гинзбург В.Л., Леванюк А.П., СобянинА.А. Общая теория рассеяния света вблизи точек фазовых переходов в идеальных кристаллах // Рассеяние света вблизи точек фазовых переходов. - М.: Наука, 1990.-С. 13-112.

17. Panin L.E., Mayanskaya N.N., Borodin A.A., Vloshinsky Р.Е., Kolpa-kov A.R., Kolosova I.E., Kunitsyn V.G., Nekrasova M.F., Koloso-vaN.G., Ostanina L.S., Tretyakova T.A. Comparison of biochemical reaction to trek and chamber stimulations 11 Medicine and Sport Science. - 1992. - V. 39. - P. 139-186.

18. Панин В.E., Егорушкин В.Е. Неравновесная термодинамика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. Кор-пускулярно-волновой дуализм пластического сдвига // Физ. мезомех. - 2008. - Т. 11. - № 2. - С. 9-30.

Поступила в редакцию 02.06.2008 г.

Сведения об авторах

Панин Лев Евгеньевич, академик РАМН, д.м.н., профессор, директор ГУ НИИБХ СО РАМН, ibch@soramn.ru Куницын Валерий Георгиевич, д.б.н., ведущий научный сотрудник ГУ НИИБХ СО РАМН, kunitsyn@ngs.ru