Descrierea lipidelor membranare și caracterizarea bistratului lipidic

Descrierea lipidelor membranare și caracterizarea bistratului lipidic

Lipidele componente ideale pentru structurarea membranelor. Caracterele fizico-chimice ale lipidelor le definesc drept molecule ideale pentru structurarea de membrane, a caror principala menire este aceea de a separa doua compartimente apoase (interiorul celulelor de mediul inconjurator).

Structura și caracterul lor amfipat[i] induce proprietați amfifile arhitecturii pe care o organizeaza, partea hidrofoba putand creea o bariera, iar partea hidrofila conferind capacitatea de a acomoda mediile apoase aflate de o parte și de cealalta, adica interiorul, respectiv exteriorul celulei.

Lipidele sunt molecule mici cu posibilitați mari de mobilitate (fluiditate), astfel incat structurile pe care le pot asambla nu sunt rigide.

Sunt molecule relativ insolubile in medii apoase, prezentand tendința de asociere spontana (autoasamblare), ceea ce confera structurilor pe care le formeaza tenacitatea de a-și pastra integritatea, sau de a se reface rapid, atunci cand sunt agresate mecanic.

Tendința spontana de asociere implica un consum energetic minim, ceea ce reprezinta un avantaj in economia celulara. Aceasta complexitate chimica vom realiza ca este exploatata fericit de celula.

In membranele celulare intalnim numai trei tipuri de lipide pe care le putem clasifica, in funcție de structura lor chimica globala (enumerarea este in funcție de abundența in care apar) in:

1. fosfolipide;

2. colesterol;

3. glicolipide.

Fosfolipidele reprezinta 70-75% dintre lipidele membranare, colesterolul 20-25%, iar glicolipidele 1-10%. O mențiune de facut in legatura cu glicolipidele din membranele celulelor animale este aceea ca ele sunt din clasa sfingolipidelor (vezi despre sfingolipide mai jos la clasificarea in funcție de poliolul din structura). Iata in aceasta prima clasificare a lipidelor membranare o prima dovada a eterogenitații lipidelor membranare. Ideea de eterogenitate a lipidelor membranare sporește insa, daca ne-am propune sa abordam chiar și numai complexitatea tipurilor de lipide din clasa fosfolipidelor, cele mai bine reprezentate lipide din membranele celulare, sub aspectul abundenței. Acestea se pot clasifica, in funcție de poliolul din structura in:

(i) fosfogliceride (glicerofosfatide) - daca poliolul este glicerina;

(ii) fosfosfingozide (sfingofosfatide) - daca poliolul este sfingozina (de fapt un aminodiol cu un lanț alifatic (aceasta inlocuiește unul ditre acizii grași din coada hidrofoba a fosfolipidelor rezultate, cel de al doilea fiind inserat printr-o legatura amidica la gruparea amino a sfingozinei)

Bistratul este cea mai simpla structurare a lipidelor care poate inchide un volum mare de mediu hidrofil, spre a-l separa de un altul tot hidrofil (capetele hidrofile la exterior, putand acomoda structura celor doua medii hidrofile; cozile hidrofobe in interior, in adancimea structurii, conferind rolul de bariera).

Așadar este o structura care poate corespunde dezideratelor celulelor de a fi separate de mediul inconjurator și de a-și menține intr-o maniera eficienta homeostazia interna.

Asamblarea in bistrat se poate face spontan, fiind deci favorizata energetic, iar bistratul nu poate prezenta, din considerente termodinamice, capete libere. Acest lucru confera membranelor tenacitate in pastrarea integritații structurale și refacerea rapida a acesteia chiar in cazul unor distrugeri datorate agresiunilor mecanice.

Structurarea sub forma de bistrat și dispunerea asimetrica a componentelor acestuia confera proprietati fizico-chimice diferite celor doua fete ale membranei. Mai mult, asigura comportament independent celor doua fete ale membranei, dar și solidar, atunci cand nevoile celulei o cer.

Manifestarea bidimensionala a fluiditații bistratului lipidic da membranei celulare caracterul de structura cu proprietați mezomorfe, proprietați specifice cristalelor lichide.

Acest comportament mezomorf este accentuat de capacitatea lipidelor de a structura microdomenii bogate in sfingolipide, parte dintre ele glicolipide, colesterol și anumite proteine membranare.

Aceste microdomenii sunt denumite "plute lipidice" (lipid rafts) (numite vezicule plasmalemale in celula endoteliala) și au deosebita importanța atat structural (organizeaza structuri specializate ale membranei, cum ar fi caveolele), cat și metabolic ținand laolalta molecule și macromolecule destinate a funcționa impreuna in complexe supramoleculare.

Lanțurile acizilor grasi hidrofobi, prezente in interiorul bistratului, fac membrane impermeabila pentru ioni și pentru majoritatea moleculelor biologice. Fosfolipidele sunt prin aranjamentul lor fluide vascoase și nu structuri solide.

Acizii grasi din majoritatea fosfolipidelor naturale au una sau mai multe legaturi duble care fac dificila impachetarea lanțurilor hidrocarbonate, care se misca liber prin membrane.

O mare parte a proprietaților bistraturilor lipidice a fost elucidata ca urmare a studiului membranelor artificiale.

Astfel se pot sintetiza pe cale artificial doua tipuri de bistraturi lipidice 1- bistraturi care formeaza vezicule sferice numite liposomi și care pot avea un diametru cuprins intre 25nm și 1µm, in funcție de procedura de separare și 2-membrane negre (black membranes), care sunt bistraturi plane formate pe suprafata unui mic orificiu dispus in asa fel incat sa separe doua medii apoase.

Veziculele fosfolipidice numite liposomi (descries in 1965) sunt intens folosite in domeniul farmacologiei. Deoarece delimiteaza un compartiment apos, liposomii pot fi vezicule considerate ca veritabile " capsule farmacologice".

In momentul prepararii, in veziculele liposomale se pot incapsula diferite substante cu efect therapeutic. Deoarece lipozomii sunt marginici de o membrana reprezentata de bistratul fosfolipidic, cu aceeasi structura ca si membranele biologice natural, ei nu sunt toxici daca sunt administrati in organism.

Liposomii interactioneaza specific cu celulele, fiind captati de catre acestea prin endocitoza sau fuziune.

Toate aceste argument experimentale stau la baza speranțelor ca liposomii vor fi folositi ca vectori farmacologici in administrarea dirifara a preparatelor terapeutice catre anumite celule tinta. (Mixich & Ardelean, 2002)

FLUIDITATEA BISTRATULUI LIPIDIC

Lipidele membranare pot executa urmatoarele tipuri de mișcari:

Mișcari intramoleculare

. De rotație, cu o frecvența de 10⁹ rotații/s; aceste mișcari sunt generate de capacitatea lanțurilor acizilor grași de a se roti in jurul legaturilor C-C, capacitate care se rasfrange asupra comportamentului intregii molecule prin cuplurile de forțe pe care le induc; rezultanta este mișcarea de rotație a moleculei lipidice in ansamblu.

. De flexie a cozilor hidrofobe (vibrație ), cu o frecvența de 10⁸ flexii/s; aceste mișcari trebuie ințelese tot ca rezultat al mișcarilor din interiorul moleculelor de lipide, la nivelul cozilor hidrofobe ale acizilor grași nesaturați, care, nu pot executa decat mișcari asemanatoare ștergatorului de parbriz; efectul la nivelul intregii molecule este acela al mișcarii de flexie a cozii.

2. Mișcari intermoleculare- difuzie lateral, care implica schimbarea poziției moleculelor de lipid unele in raport cu altele. Acestea pot fi: . Mișcari de translație, mișcari ale lipidelor in planul membranei, in aceiași foița a bistratului, unele printre altele; frecvența acestei mișcari este de 10⁷ schimbari de direcție/s,(distant D= 10^-8 cm/s);

. Mișcari "flip-flop", adica mișcari de trecere a lipidelor dintr-o foița a bistratului in cealalta (mai mic de 1/luna ); mișcarea de "flip-flop" are loc frecvent doar in membrana reticulului endoplasmic .

Fluiditatea membranelor poate fi modulata (modificata, reglata) de mai mulți factori. Acești factori pot fi de natura fizica, sau chimica.

Ca factori fizici amintim temperatura și presiunea. Fluiditatea membranelor este direct proporționala cu temperature și invers proporționala cu presiunea.

Efectul factorilor chimici in modularea fluiditații membrane

Aceștia, in funcție de proveniența, se pot clasifica in (i) factori chimici intrinseci, sau (ii) factori chimici extrinseci.

1-Factorii chimici intrinseci, pe care celula ii folosește in modularea fluiditații membranei in funcție de necesitați, sunt cantitatea de acizi grași nesaturați din structura fosfolipidelor, sau a glicolipidelor, și/sau cantitatea de colesterol din structura bistratului.

Fluiditatea membranei este direct proporționala cu procentul de acizi grași nesaturați din structura lipidelor bistratului (crește cantitatea de acizi grași nesaturați, crește și fluiditatea), in timp ce creșterea procentului de colesterol duce la rigidizarea membrane (micșorarea fluiditații) datorita structurii sale inelar rigide. Așadar fluiditatea membranei este invers proporționala cu cantitatea de colesterol din bistrat.

In funcție de temperatura, colesterolul poate influența fluiditatea membranei. La temperaturi mari, colesterolul interacționeaza cu lanțurile de acizi grași ale fosfolipidelor in mișcare, scazand fluiditatea stratului extern al membrane și permeabilitatea acestuia pentru moleculele mici.

La temperaturi scazute, are efect invers intervenind in interacțiunile dintre acizii grasi , previne rigiditatea membrane și ii menține fluiditatea.

2- Factorii chimici extrinseci se clasifica la randul lor in:

(a) fiziologici (hormoni sau mediatori chimici liposolubili),

(b) patologici (metaboliți liposolubili ai unor agenți patogeni, substanțe chimice toxice liposolubile),

(c) terapeutici (medicamente liposolubile).

Multe analgezice, ca și unele anestezice, fiind compuși liposolubili, acționeaza și prin modificarea fluiditații membranelor neuronale.

Dupa cum vom vedea, fluiditatea membranelor este modulata și nuanțata și de celelalte componente ale membranelor proteinele și structurile glucidice.

Menținerea fluiditații bistratului membranar este esențiala pentru creșterea și reproducerea celulara normala. In membranele biologice exista o mixtura de tipuri de acizi grasi care au rolul de a menține fluiditatea la 37⁰C.

In cazul organismelor poikiloterme, a caror temperatura variaza cu cea a mediului, membranele celulare iși schimba compoziția in acizi grași, in așa fel incat, fluiditatea se menține in limite constante, indiferent de temperatura mediului ambient.

Daca temperatura scade, se sintetizeaza in membrane fosfolipide, in care predomina acizii grași nesaturați (cu duble legaturi), astfel ca, descreșterea fluiditații, odata cu scaderea temperaturii este evitata.