Роль жидких кристаллов в живом организме

Полученные представления о многочисленных вариантах лиотропных жидкокристаллических фаз стали базой, на которой начали развиваться исследования влияния различных факторов на амфифильные соединения.

В этот поиск, кроме физиков, включились химики, фармакологи, биофизики, бионики. Обращение различных специалистов к проблемам лиотропных жидких кристаллов не было случайным. Интерес к этому состоянию вещества особенно возрос тогда, когда стало известно, что в живых организмах имеется ряд структур и систем, организованных по принципу жидкого кристалла.

Причем в последнее время серьезно рассматривается вопрос о роли жидких кристаллов в возникновении некоторых заболеваний в организме человека. Отсюда вполне понятен интерес, который проявляют сегодня медики к жидким кристаллам.

Вот примеры химических веществ биологического происхождения, которые могут образовывать лиотропные и термотропные жидкие кристаллы. Важнейшие вещества мозга — сфингомиелин, цереброн и протагон, белок сократительного вещества мышечной ткани — миозин, белок костей и сухожилий — коллаген, миелиновая оболочка нервов. Жидкокристаллическую структуру образует дезоксирибонуклеиновая кислота, больше известная под сокращенным названием ДНК.

Роль ДНК в организме трудно переоценить — она является носителем наследственной информации. Интересный объект с точки зрения жидкокристаллического строения представляют носители жизни — сперматозоиды. Они состоят из продолговатой головки и нижнего придатка — хвостика. Головка обладает сильным двулучепреломлением.

Сперматозоиды очень устойчивы: их легче разрушить, чем перевести в твердокристаллическое состояние. Жидкокристаллическая структура характерна для мембранных структур яичников, гемоглобина, трипсина.

Распространенность жидких кристаллов в живых тканях не удивительна. Основная деятельность клетки — обмен веществ. Жидкие кристаллы являются идеальным образованием для этого. Они могут поглощать вещества из газовой или жидкой фазы, могут растворять многие вещества, даже другой молекулярной структуры. Правильно расположенные элементы жидких кристаллов — прекрасная среда для действия внутриклеточных катализаторов. При соответствующих условиях жидкие кристаллы могут набухать, а затем сжиматься.

Форма жидких кристаллов удобна для биологических процессов. Она соединяет в себе устойчивость к внешним воздействиям с необычной пластичностью, гибкостью. Жидкие кристаллы необыкновенно чувствительны к различным внутриклеточным процессам, быстро реагируя на них.

Приведенные примеры жидкокристаллических структур в живом.организме убедительно говорят о их значимости в нормальной жизнедеятельности разных органов человека. Естественно предположить, что отклонения от жидкокристаллического состояния могут привести к нарушению тех или иных функций, возникновению заболеваний.

При исследовании причин возникновения сердечнососудистых заболеваний было обращено внимание на повышенное содержание в крови холестерина у людей, страдающих этими заболеваниями. Многочисленными клиническими исследованиями была доказана прямая связь между уровнем холестерина в крови и степенью развития атеросклероза.

Атеросклероз — хроническое заболевание, при котором на стенках сосудов образуются так называемые атеросклеротические бляшки, сужающие сосуды. В состав атеросклеротических бляшек, кроме холестерина и его соединений, входят фосфолипиды, что отличает его от состава непораженной ткани. Так, в бляшках эфиров холестерина — 95%, фосфолипидов— 1%, а в непораженной ткани эфиров — 39% и фосфолипидов — 39%.

Лиотропная жидкокристаллическая фаза (фосфолипиды — холестерин — эфиры холестерина — вода) связывает холестерин и препятствует образованию эфиров холестерина. При нарушениях избыточные эфиры выделяются в виде твердокристаллических атеросклеротических бляшек.

Зная законы образования лиотропных жидких кристаллов, можно помочь организму сохранить стабильную лиотропную фазу, не дать возможность образоваться бляшкам. Есть основания полагать, что это будет достигнуто.

Аналогичный механизм предполагается и при образовании камней в желчи, только основной состав смеси иной: холестерин, лецитин, желчные соли, вода.

Важную роль жидкокристаллическое состояние играет в системах, обеспечивающих смазку различных поверхностей в организме. Здесь, видимо, есть смысл вспомнить структуру смектиков и способность их слоев довольно легко скользить относительно друг друга.

Жидкие кристаллы заинтересовали представителей еще одной области науки—геронтологии. Геронтология — это наука, изучающая старение живых организмов, в том числе и человека. Существует гипотеза, что процесс старения в той или иной степени связан с кристаллизацией мембран. Твердокристаллические участки клеточных мембран теряют подвижность, ухудшаются возможности обмена веществ, и организм стареет.

Онкологи возлагают на жидкие кристаллы определенные надежды. Как предполагают ученые, в процессе образования раковой клетки происходит нарушение жидкокристаллического состояния мембраны. Она теряет упорядоченную жидкокристаллическую структуру, происходит «разрыхление» плотной укладки клеток, начинается активный рост «больных» клеток.

Клеточная мембрана – жидкий кристалл?! Жидкие кристаллы у основ зарождения жизни

Стремление разобраться в механизмах деятельности живого организма заставило ученых проникнуть в тайну клетки — основы строения и жизнедеятельности животных, растений, человека.

Оболочка клетки называется мембраной. Она играет важную роль в жизнедеятельности клетки. Исследования структуры мембран показали, что они являются типичными представителями лиотропных жидких кристаллов. Основа мембран — ламеллярный двойной слой фосфолипидов (рис. 71).

Отличие строения мембраны от ламеллы показано на рисунке 70. Молекула фосфолипидов (1) имеет два хвоста, присоединенных к одной полярной головке, и в мембрану как бы вкраплены молекулы белков (2). Некоторые белки плавают на поверхности мембраны, некоторые частично погружены в нее, некоторые проникают на всю толщину слоя.

Если мембрана имеет жидкокристаллическую структуру, то возникает вопрос: не помогут ли знания физических и химических закономерностей жидких кристаллов разобраться в механизме «работы» мембран? Исследования последних лет показывают правомерность использования лиотропных жидкокристаллических систем в качестве моделей организации мембран. Какие же свойства биологических мембран можно описать с помощью такой модели?

Представление об упругости мембран, основанное на идеях физики лиотропных жидких кристаллов, позволяет описать такие свойства мембран, как изменение формы, способность быть механической опорой клетки, явление фагоцитоза. Явление фагоцитоза, открытое в 1883 г. русским ученым И. И. Мечниковым, заключается в данном случае в захвате и поглощении частицы мембраной. При соприкосновении с инородной частицей мембрана деформируется, обволакивает эту частицу и поглощает ее. Частица таким образом оказывается внутри клетки.

С помощью мембраны встроенные белки узнают о действиях друг друга. Предположим, что один из белков изменил свое положение. Это изменение вызовет деформацию мембраны, и распространяющаяся по мембране упругая волна «сообщит» другим белкам о том, что «произошло» с данным белком.

С помощью энергетических представлений можно объяснить «самозалечивание» мелких пор в мембране. Деформация слоя фосфолипидов приводит к поляризации, и возникшее электрическое поле облегчает перенос ионов (К+) через мембрану. Электрические взаимодействия могут объяснить работу мембраны как насоса (калийнатриевого), т. е. транспорта ионов через мембрану.

Для объяснения работы мембран можно использовать эффекты Фредерикса, т. е. изменение ориентации под действием электрических и магнитных полей.

Мембраны отлично справляются со своими обязанностями именно тогда, когда они находятся в жидкокристаллическом состоянии. Кристаллизация, т. е. переход в твердое состояние, приводит мембрану к гибели, а это означает гибель клетки.

Привлечение физических закономерностей к объяснению механизмов работы мембран дает обнадеживающие результаты. Роль жидкокристаллического состояния в биологических системах, безусловно, не исчерпывается теми данными, которые мы упомянули. Однако многие процессы, происходящие в живом организме, до сих пор не поняты. Словом, «пятен» еще много.

Жидкие кристаллы у основ зарождения жизни. В последние годы ведутся экспериментальные работы по получению сложных органических молекул из простейших молекул, существовавших на Земле в начале эпохи химической эволюции. Моделируются условия древней Земли, и в этих условиях идут синтезы «стройматериалов» для белков.

Среди искусственно полученных молекул есть жирные кислоты, фрагменты которых входят в состав многих жидких кристаллов. Это позволяет предположить, что уже на первом этапе эволюции могли образоваться на поверхности воды жидкокристаллические пленки. Такие жидкокристаллические пленки могли играть роль ориентирующих поверхностей для простых реагентов, помогая синтезировать сложные молекулы.

На следующем этапе химической эволюции шел синтез полимерных цепочек, хиральных молекул. Можно предположить, что первые хиральные вещества синтезировались в закрученных нематических матрицах. В это время мог синтезироваться хиральный холестерин. На втором этапе химической эволюции были «созданы» все «заготовки» для получения клетки.

Одна из самых распространенных теорий образования предшественников клетки исходит из представлений о твердых частицах — коацерватах, т. е. группировках. Такие группировки легко образуются в сильно разбавленных растворах полимеров. Многочисленные исследования показали, что за многие проявления живого состояния ответственны липиды.

Молекулы липидов, обладающие удлиненной формой, расположены в клеточной мембране не в таком строгом порядке, как в кристалле, но и не столь беспорядочно, как в жидкости, т. е. состояние мембраны близко к коацервату.

На биологическом этапе эволюции значение их трудно переоценить. Мы уже рассматривали примеры существования жидких кристаллов в живом организме. Видимо, некоторые мысли, высказанные здесь, могут быть оспорены, ведь гипотезы — это еще не факты.

Решающее слово за экспериментом, только он может позволить получить ту цепочку, которая привела бы к получению живой клетки из неживых молекул, бывших на Земле в те далекие времена. В этом плане фронт исследований для химиков и биологов только разворачивается, и пусть эта глава для молодых пытливых умов будет ... информацией к размышлению.