25.02.2005

• Oddziaływania międzycząsteczkowe to siły występujące pomiędzy cząsteczkami. Są to siły tego samego rodzaju, co występujące pomiędzy atomami siły elektromagnetyczne.

• Cechą tych sił jest zależność od odległości; w momencie zbliżania się atomów wartość bezwzględna sił rośnie.

• Dipol to cząstka posiadająca dwa różnoimienne ładunki rozsunięte na stałą odległość.

• Do opisu wiązań atomowych nie stosujemy modelu elektrostatycznego, stosujemy go jednak przy opisie wiązań i oddziaływań międzycząsteczkowych (brak kwantowania na dużych odległościach)

• Wiązania w cząsteczce opisujemy wektorowo; moment dipolowy (i co za tym idzie, kształt cząsteczki) zależy od ilości wiązań, ich długości oraz wartości ładunków.

• Wiązanie międzycząsteczkowe to sytuacja, gdy siły odpychania i przyciągania się cząsteczek równoważą się (taka sytuacja jest najkorzystniejsza energetycznie energie jest najniższa).

• Zderzenia cząstek powodują drgania (zmiany długości wiązań i oscylację wokół odległości równowagowej). Energia takich zderzeń (energia ruchów cieplnych) wynosi około 2,5 KJ/mol

• Im krótsze jest wiązanie, tym większa jest jego energia (np. wiązania kowalencyjne są dużo krótsze niż międzycząsteczkowe i wielokrotnie od nich mocniejsze).

• Wiązania van der Waalsa występują wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z dipolami (ale bez udziału jonów).

• Wiązania specyficzne można traktować jako kowalencyjne (ze względu na ich kierunkowość), są one jednak bardzo słabe i tworzą kompleksy słabo stechiometryczne)

• W strukturze białek wiązania wodorowe stabilizują strukturę α-helisy.

• W EDA donorami ładunków są najczęściej wolne pary elektronowe wiązanie ma charakter częściowo jonowy (ich energia nie przekracza jednak 50 KJ/mol)

1. Oddziaływania hydrofobowe

• Występują, gdy związki o małym powinowactwie do wody zostają zmieszane z wodą.

• Oddziaływania hydrofobowe nie są klasycznym wiązaniem chemicznym.

• Stabilizują one energetycznie układy wielko lub wielocząsteczkowe.

• Cząsteczki związków hydrofobowych nie tworzą wiązań z wodą, ale łączą się między sobą wiązaniami van der Waalsa.

• Oddziaływania hydrofobowe potrzebują dużej ilości cząsteczek wody (nie są to wiązania w parach).

2. Substancje o charakterze hydrofilno-hydrofobowym (fosfolipidy)

• Fosfolipid składa się z hydrofilnej (polarnej) główki i hydrofobowego (niepolarnego) ogona.

• Amfifilność (amfipatyczność) to właśnie sytuacja, w której cząsteczka jest jednocześnie hydrofilowa i hydrofobowa.

• W komórce występuje około 1500 różnych, naturalnych fosfolipidów.

• Dwuwarstwą lipidową nazywamy układ fosfolipidów złożony z dwóch warstw. Układ taki może spontanicznie tworzyć formy kuliste. Dwuwarstwa jest nieprzepuszczalna dla wody).

• W wyniku zamknięcia się dwuwarstwy w formę kulistą powstaje liposom - pęcherzyk zawierający wewnątrz wodę.

3. Rodzaje liposomów:

• wielościenne (MLV) 400 - 10000 nm

• jednościenne (ULV)

• małe (SUV) 20 - 30 nm

• duże (LUV) 50 - 1000 nm

• olbrzymie (GUV) ponad 1000 nm

4. Dziedziny zastosowań liposomów:

a) w medycynie i farmakologii nośniki leków, wektory genów, nośniki przeciwciał i antygenów, nośniki znaczników diagnostycznych

b) bioinżynieria biotechnologiczna rozpuszczanie związków nierozpuszczalnych w wodzie, emulgacja.

• Substancje mogą być zamknięte w liposomach na dwa sposoby

• w środku (w środowisku wodnym)

• wewnątrz dwuwarstwy

• Poprzez modyfikacje chemiczną i fizyczną możemy ustawiać własności liposomów i dobierać zastosowanie liposomów do odpowiednich leków.

• Liposomy wprowadzone do organizmu długo krążą w układzie krwionośnym; gromadzą się w śledzionie i innych dobrze ukrwionych miejscach.

• Fuzja to zlanie się dwuwarstwy lipidowej liposomu z błoną komórki (zawartość wlewa się do komórki).

• Zastosowanie liposomów pozwala omijać takie bariery jak oporność wielolekowa (mechanizm wypompowujący z komórki szkodliwe substancje dostające się drogą dyfuzji).

• Lek w formie liposomowej daje możliwość sterowania (lek dociera do odpowiednich komórek).

• Dwuwarstwa lipidowa wykazuje zdolności ciekłokrystaliczne (faza pośrednia); przejście fazowe zachodzi w punkcie (temperaturze) charakterystycznym dla danego fosfolipidu; chcąc sterować przejściem fazowym trzeba stosować mieszanki różnych fosfolipidów.

• Upływ leków z liposomów sterowany jest poprzez ustawione wcześniej przejście fazowe (w ten sposób można włączać i wyłączać leki).

• Niektóre leki wprowadzone w formie liposomowej maja zupełnie inne działanie niż podane tradycyjnie.

• Skóra ma dość istotną warstwę lipidów; aby nie była przepuszczalna, warstwa lipidów ma określony skład. Skóra stanowi barierą dla wody, w zdrowej skórze warstwa lipidów ma określona grubość. W miarę starzenia warstwa ta ulega osłabieniu. Kremy mają za zadanie uzupełnianie ubytków. Zastosowanie kremów liposomowych daje znacznie lepsze rezultaty, niż kremów tradycyjnych.

5. Dwuwarstwa w błonie komórkowej

Błony komórkowe mają bardzo podobne do dwuwarstwy właściwości fizykochemiczne.

Funkcje błon komórkowych

• Bariera ochronna (dwuwarstwa lipidowa, hydrofobowość)

• Własności mechaniczne: wytrzymałość, elastyczność; kształt lipidy, cytoszkielet

• Własności transportowe:

• przenikanie (filtracja wody - kanały),

• dyfuzja,

• dyfuzja ułatwiona,

• transport aktywny,

• kanały,

• defekty, rozpuszczalność substancji lipofilnych,

• nośniki białkowe,

• białka enzymatyczne integralne.

• Transformacja energii - produkcja ATP

• szlaki enzymatyczne współpracujące z błoną komórkową

• aktywny transport

• Rozpoznawanie się komórek

• glikokalix - kompleksy lipidowo-cukrowe i białkowo-cukrowe

• Odbiór i przekazywanie sygnałów (hormony)

• receptorami są wyspecjalizowane białka integralne

6.Skład błon komórkowych:

• Lipidy

• glicerofosfolipidy (fosfolipidy, kardiolipidy)

• fosfoglikolipidy (np.swingomylina)

• glikoglicerolipidy

• glikosfingolipidy (gangliozydy, cerebrozydy)

• sterole

• Białka

• integralne (strukturalne)

• peryferyczne (powierzchniowe)

• Węglowodany (w glikolipidach i glikoproteinach)

Porównując własności fizyczne dwuwarstwy lipidowej i błon komórkowych można zauważyć znaczne podobieństwa (oraz różnice).

• Taka sama grubość.

• Dwuwarstwa ma znacznie większy opór.

• Błony mają większą przepuszczalność elektryczną (bo występują kanały jonowe); przepuszczalność selektywna.

• Dwuwarstwa charakteryzuje się wyższym napięciem powierzchniowym (znów rola białek)

• Zbliżona pojemność elektryczna i współczynnik załamania światła.

7. Podstawy eksperymentalne modelu ciekłej mozaiki:

• Szynowy obraz uzyskiwany w mikroskopii elektronowej (różne wybarwienie części polarnej i niepolarnej fosfolipidu - utrwalacze gromadzą się w większej ilości w części hydrofilowej).

• Porównanie własności fizycznych.

• Dane o lateralnej dyfuzji uzyskane metodą odzyskiwania fluorescencji po wybieleniu (FRAP), czyli poruszanie się białek w „morzu” fosfolipidów; błona jest uporządkowana poprzecznie lecz układ na powierzchni jest zupełnie przypadkowy.

Do wykazania istnienia dyfuzji lateralnej użyto lasera:

wybielanie pozbawienie fluorescencji

8. Podstawy ciekło-mozaikowego modelu błon

• Lipidowa dwuwarstwa jest szkieletem strukturalnym błony.

• Błona jest w stanie ciekłokrystalicznym.

• Występuje dyfuzja lateralna lipidów.

• Występuje dyfuzja lateralna i rotacyjna białek w „morzu” lipidowym.

• Występują ruchy „flip-flop” (zamiana fosfolipidów pomiędzy warstwami).

• Białka integralne oraz lipidy kontaktują się z czytoszkieletem.

9. Asymetria i anizotropia błon komórkowych

• Zróżnicowanie składu lipidowego obu monowarstw w błonie (flip-flop jest sterowany).

• Asymetria łańcuchów węglowodorowych (nienasycone monowarstwa wewnętrzna).

• Asymetria płynności.

• Anizotropia lateralnej dyfuzji lipidów i białek (miejsca kontaktów z czytoszkieletem).

• Zależność procesu flip-flop od rodzaju lipidów.

10. Krytyka modelu ciekłej mozaiki

• Asymetria monowarstw w błonie.

• Odkrycie lipidowych domen (powierzchni płaskich zależnych od pH, siły jonowej, specyficznych jonów).
  Stabilne defekty struktury pomiędzy domenami.

• Obecność innych struktur lipidowych niż dwuwarstwowe.

• Domeny białek (oligomeryzacja białek)

• Liczne wiązania z cytoszkieletem.

• Warstwy wody związanej i wysokie lokalne stężenie specyficznych jonów.

1

chemia fizyczna wykład z 25.02.2005