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