Biofizyka lipidów

Biofizyka lipidów Błony lipidowe jako modele błon biologicznych

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (rozpuszczalność) • Zróżnicowana grupa substancji, które w wodzie rozpuszczają się słabo, albo nie rozpuszczają w ogóle.

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (rozpuszczalność) • Zróżnicowana grupa substancji, które w wodzie rozpuszczają się słabo, albo nie rozpuszczają w ogóle. • Ekstrahują się rozpuszczalnikami organicznymi (eterem, benzenem, chloroformem).

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (rozpuszczalność) • Zróżnicowana grupa substancji, które w wodzie rozpuszczają się słabo, albo nie rozpuszczają w ogóle. • Ekstrahują się rozpuszczalnikami organicznymi (eterem, benzenem, chloroformem). • O rozpuszczalności w wodzie decyduje duża wartość elektrycznego momentu dipolowego, albo zdolność polaryzowania się pod wpływem wody.

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (właściwości amfofilowe) • Cząsteczki lipidów są apolarne, co wynika z nagromadzenia dużej liczby grup –CH2-.

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (właściwości amfofilowe) • Cząsteczki lipidów są apolarne, co wynika z nagromadzenia dużej liczby grup –CH2-. • Oprócz łańcuchów węglowych w cząsteczkach lipidów występują grupy polarne lub jonowe (np. estrowe, fosforanowe, aminowe, hydroksylowe i in.).

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (właściwości amfofilowe) • Cząsteczki lipidów są apolarne, co wynika z nagromadzenia dużej liczby grup –CH2-. • Oprócz łańcuchów węglowych w cząsteczkach lipidów występują grupy polarne lub jonowe (np. estrowe, fosforanowe, aminowe, hydroksylowe i in.). • W cząsteczkach lipidów grupy polarne znajdują się obok siebie tworząc część hydrofilową, podczas gdy reszta cząsteczki stanowi część hydrofobową.

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (właściwości amfofilowe) 1. a b a b 2. 3. a b 1. Lecytyna, 2. Cholesterol, 3. Schemat cząsteczki amfofilowej; a. Część hydrofilowa, b. Część hydrofobowa

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (aktywność powierzchniowa) Olej Woda

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (aktywność powierzchniowa) Olej Woda Olej Woda

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (aktywność powierzchniowa) Aktywność powierzchniowa lipidów wynika ze zdolności absorbowania się na powierzchni cieczy

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (aktywność powierzchniowa) Aktywność powierzchniowa lipidów wynika ze zdolności absorbowania się na powierzchni cieczy Czynność powierzchniowa lipidów obniża napięcie powierzchniowe cieczy

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (aktywność powierzchniowa) Aktywność powierzchniowa lipidów wynika ze zdolności absorbowania się na powierzchni cieczy Czynność powierzchniowa lipidów obniża napięcie powierzchniowe cieczy Najwyższą aktywnością powierzchniową odznaczają się fosfolipidy

Fizykochemiczna charakterystyka lipidów (aktywność powierzchniowa) Aktywność powierzchniowa lipidów wynika ze zdolności absorbowania się na powierzchni cieczy Czynność powierzchniowa lipidów obniża napięcie powierzchniowe cieczy Najwyższą aktywnością powierzchniową odznaczają się fosfolipidy Amfofilowość decyduje o właściwościach biologicznych lipidów, które występują przede wszystkim w składzie błon biologicznych

Lipidy - funkcje biologiczne Lipidy jako składniki błon biologicznych Podwójna błona lipidowa jest stabilnym termodynamicznie układem stanowiącym barierę dla większości substancji wymienianych między oddzielonymi błoną przedziałami Środowisko wodne (np. cytoplazma, płyn śródtkankowy i in.) Środowisko wodne

Współczynniki dyfuzji (D) [cm2/s] i czasy dyfuzji (t) przez podwójną błonę lipidową o grubości 5nm oraz przez taką samą warstwę wody

Lipidy - funkcje biologiczne • Ze względu na napięcia powstające na błonach biologicznych (na skutek różnego stężenia jonów po obu ich stronach) szczególnie ważne są takie właściwości lipidów, jak: • wysoki opór właściwy (108 - 1016m), • Wysoka wytrzymałość elektryczna (108 - 1016 V/m)

Lipidy występujące najczęściej w błonach biologicznych: • Fosfolipidy (uniwersalny składnik błon),

Lipidy występujące najczęściej w błonach biologicznych: • Fosfolipidy (uniwersalny składnik błon), • Glikolipidy (w chloroplastach),

Lipidy występujące najczęściej w błonach biologicznych: • Fosfolipidy (uniwersalny składnik błon), • Glikolipidy (w chloroplastach), • Cholesterol (w komórkach Eucariota),

Lipidy występujące najczęściej w błonach biologicznych: • Fosfolipidy (uniwersalny składnik błon), • Glikolipidy (w chloroplastach), • Cholesterol (w komórkach Eucariota), • Karotenoidy (w chloroplastach, w komórkach siatkówki oka).

Monomolekularne warstwy powierzchniowe – sposoby otrzymywania 1. Adsorbcja substancji powierzchniowo czynnych na granicy międzyfazowej (dotyczy substancji absorbujący się na powierzchni wody, tj. wyższe alkohole, kwasy tłuszczowe, fosfolipidy)

Monomolekularne warstwy powierzchniowe – sposoby otrzymywania 1. Adsorbcja substancji powierzchniowo czynnych na granicy międzyfazowej (dotyczy substancji absorbujący się na powierzchni wody, tj. wyższe alkohole, kwasy tłuszczowe, fosfolipidy) 2. Naniesienie kropli roztworu lipidu w lotnym rozpuszczalniku na powierzchnię wody

Adsorbcja substancji powierzchniowo czynnych na granicy międzyfazowej A B Gaz Faza 1 Gaz Obszar przejściowy Powierzchnia międzyfazowa Faza 2 Ciecz Ciecz Układ dwufazowy: A – rzeczywisty, B - wyidealizowany

Definicja termodynamiki • Matematyczny opis ciepła i jego związku z energią mechaniczną i innymi formami pracy. W układach chemicznych umożliwia określenie możliwości przeprowadzenia reakcji, jej kierunek i położenie stanu równowagi

Podstawowe wielkości termodynamiki • Energia wewnętrzna (U) – suma całej energii kinetycznej i potencjalnej układu. • Funkcja stanu – wielkość termodynamiczna zależna jedynie od stanu w jakim znajduje się układ a nie od sposobu w jaki ten stan został osiągnięty. • Funkcja zależna od drogi – wielkość, której wartość zależy od drogi przemiany od stanu początkowego do końcowego

Podstawowe wielkości termodynamiki c.d. • Rodzaje układów termodynamicznych: - otwarty, - zamknięty, - izolowany. • Pierwsza zasada termodynamiki – Energia układu izolowanego jest stała. W układzie otwartym energia może być wymieniana z otoczeniem tylko na sposób pracy lub ciepła

Podstawowe wielkości termodynamiki c.d. • Praca – energia w postaci uporządkowanego ruchu. Najbardziej powszechne jej rodzaje to: - praca zwiększania objętości przeciwko ciśnieniu, - praca elektryczna. • Entalpia – energia stanu zdefiniowana zależnością

Podstawowe wielkości termodynamiki c.d. • Entropia (S) – w ujęciu termodynamicznym funkcja stanu określona zależnością lub dla procesów nieodwracalnych w ujęciu statystycznym miara nieuporządkowania układu gdzie W jest liczbą możliwych konfiguracji układu

Przykłady odpowiadających sobie układów o niskiej i wysokiej entropii

Podstawowe wielkości termodynamiki c.d. • Druga zasada termodynamiki – entropia układu izolowanego zwiększa się w przypadku procesów nieodwracalnych lub pozostaje stała w przypadku procesów odwracalnych. Entropia układu izolowanego nigdy nie maleje. • Proces samorzutny – proces wykazujący dążność do zachodzenia bez konieczności wykonania pracy w układzie • Proces niesamorzutny – wymagający dostarczenia energii na sposób pracy

Podstawowe wielkości termodynamiki c.d. • Trzecia zasada termodynamiki – Entropia doskonałego kryształu w temperaturze 0 K (zera bezwzględnego) wynosi zero • Entalpia swobodna (energia Gibbsa) (G) • Energia swobodna (energia Holmholtza) Energia swobodna i entalpia swobodna – funkcje stanu, których wartości bezwzględne są niemiarzalne

Elementy termodynamiki powierzchni międzyfazowej: warunki równowagi układu dwufazowego U – energia wewnętrzna, F – energia swobodna, G – energia swobodna Gibbsa, S – entropia, T – temperatura, p – ciśnienie, V – objętość, i – potencjał chemiczny i-tego składnika, n i – liczba moli i-tego składnika,  - napięcie powierzchniowe, s – pole powierzchni międzyfazowej

Elementy termodynamiki powierzchni międzyfazowej: warunki równowagi układu dwufazowego c.d. gdzie: (‘), (‘’), (s) – odnoszą się odpowiednio do gazu, cieczy i powierzchni międzyfazowej, i - gęstość i-tego składnika (w molach/m3) odpowiednio w fazie gazowej i ciekłej.

Elementy termodynamiki powierzchni międzyfazowej: warunki równowagi powierzchni cieczy

Elementy termodynamiki powierzchni międzyfazowej: dwuskładnikowy model uproszczony (rozpuszczalnik+substancja rozpuszczona) Przy założeniu, że liczba moli rozpuszczalnika na powierzchni granicznej , co jest równoznaczne ze spełnieniem równości: można otrzymać wzór na izotermę Gibbsa: lub przy założeniu, że

Elementy termodynamiki powierzchni międzyfazowej: wnioski Substancje zmniejszające napięcie powierzchniowe rozpuszczalnika, gromadzą się na powierzchni międzyfazowej

Elementy termodynamiki powierzchni międzyfazowej: wnioski Substancje zmniejszające napięcie powierzchniowe rozpuszczalnika, gromadzą się na powierzchni międzyfazowej Wyższe alkohole, kwasy tłuszczowe i fosfolipidy, jako substancje silnie zmniejszające napięcie powierzchniowe wody, gromadzą się na jej powierzchni

Naniesienie kropli roztwory lipidu w lotnym rozpuszczalniku na powierzchnię wody Warunki jakie musi spełniać rozpuszczalnik: Lipid musi się w nim dobrze rozpuszczać

Naniesienie kropli roztwory lipidu w lotnym rozpuszczalniku na powierzchnię wody Warunki jakie musi spełniać rozpuszczalnik: Lipid musi się w nim dobrze rozpuszczać Musi doskonale rozpływać się po powierzchni wody

Naniesienie kropli roztwory lipidu w lotnym rozpuszczalniku na powierzchnię wody b b a  a ab Kropla cieczy spoczywająca na powierzchni ciała stałego: a – napięcie powierzchniowe ciała stałego, b – napięcie powierzchniowe cieczy, ab – napięcie międzyfazowe,  - kąt graniczny

Naniesienie kropli roztwory lipidu w lotnym rozpuszczalniku na powierzchnię wody Jeżeli następuje dokładne zwilżanie ciała a przez ciało b, kąt  nie ma żadnej określonej wartości

Wielkości charakteryzujące lipidową błonę powierzchniową (dane podstawowe) • Powierzchnia przypadająca na jedną cząsteczkę (obliczana jako iloraz całkowitej powierzchni błony i liczby cząsteczek) • Ciśnienie powierzchniowe

Wielkości charakteryzujące lipidową błonę powierzchniową (izotermy błon powierzchniowych) • Izotermy błon powierzchniowych 0.002 0,03 VI III A II E I 0.001 B 0,02  [N/m] V 0 1 3 5 IV D 0,01 C III B II V V 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 A [nm2/cząsteczkę]

Wielkości charakteryzujące lipidową błonę powierzchniową (rodzaje błon w zależności od analogii ze stanami skupienia ciał trójwymiarowych) • Błonka gazowa: A>4nm2. Odpowiada gazowi dwuwymiaro-wemu, spełniając równanie: , gdzie k – stała Boltzmana, T – temperatura absolutna, lub (dla błon elektrycznie obojętnych) Przy odpowiednio dużych powierzchniach właściwych

Wielkości charakteryzujące lipidową błonę powierzchniową (rodzaje błon w zależności od analogii ze stanami skupienia ciał trójwymiarowych c.d.) II. Przejście fazowe do stanu ciekłej błonki rozciągniętej (=1-3 x 10-4N/m; A<4nm2). - V utrzymuje wartość stałą. - Błona jest niejednorodna (złożona z pary nasyconej i błony rozciągniętej pozostających w stanie równowagi dynamicznej), - cząsteczki orientuję się równolegle do powierzchni wody

Wielkości charakteryzujące lipidową błonę powierzchniową (rodzaje błon w zależności od analogii ze stanami skupienia ciał trójwymiarowych c.d.) Błona ciekła rozciągnięta

Biofizyka lipidów