De micellen zijn stabiele bolvormige structuren die worden gevormd door honderden amfipatische moleculen, dwz moleculen die worden gekenmerkt door een polair (hydrofiel) en niet-polair (hydrofoob) gebied. Net als de moleculen waaruit ze bestaan, hebben micellen een sterk hydrofoob centrum en is hun oppervlak "bekleed" met hydrofiele polaire groepen.
Ze zijn in de meeste gevallen het resultaat van het mengen van een groep amfipatische moleculen met water, dus het is een manier om de hydrofobe gebieden van veel moleculen samen te 'stabiliseren', een feit dat wordt aangedreven door het effect hydrofoob en georganiseerd door van der Waals-krachten.
Het structurele schema van een micel (Bron: Origineel Engels: SuperManu.Spaans: AngelHerraez / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0) via Wikimedia Commons)
Zowel detergenten als zepen, evenals bepaalde cellulaire lipiden, kunnen micellen vormen die, in ieder geval bij dieren, functionele relevantie hebben vanuit het oogpunt van vetopname en transport van in vet oplosbare stoffen.
Fosfolipiden, een van de meest voorkomende en belangrijke klassen van lipiden voor levende cellen, kunnen onder bepaalde omstandigheden, naast liposomen en dubbellagen, micellaire structuren vormen.
Micellen kunnen ook worden gevormd in een apolair medium en in dat geval worden ze "omgekeerde micellen" genoemd, aangezien de polaire gebieden van de amfipatische moleculen die ze vormen "verborgen" zijn in het hydrofiele centrum terwijl de apolaire delen in direct contact staan met het medium. dat ze bevat.
Structuur
Micellen bestaan uit amfipatische moleculen of, met andere woorden, moleculen met een hydrofiel gebied (waterachtig, polair) en een ander hydrofoob gebied (waterafstotend, apolair).
Onder deze moleculen kunnen bijvoorbeeld vetzuren, moleculen van elk wasmiddel en fosfolipiden van celmembranen worden genoemd.
In de cellulaire context is een micel gewoonlijk samengesteld uit vetzuren (van variabele lengte), waarvan de polaire carboxylgroepen zijn blootgesteld aan het oppervlak van het aggregaat, terwijl de koolwaterstofketens 'verborgen' zijn in een hydrofoob centrum, waardoor ze een min of meer bolvormige structuur.
Fosfolipiden, die andere amfipatische moleculen zijn die van groot belang zijn voor cellen, zijn over het algemeen niet in staat micellen te vormen, aangezien de twee vetzuurketens waaruit hun "hydrofobe staarten" bestaan een grote afmeting hebben en elke vormpakking moeilijk maken. bolvormig.
De vorming van een micel gemedieerd door de waterige omgeving (Bron: Jwleung / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) via Wikimedia Commons)
In plaats daarvan, wanneer deze moleculen zich in een waterig medium bevinden, 'nestelen' ze zich in dubbellagen (vergelijkbaar met een sandwich); dat wil zeggen, in vlakkere structuren, waar elk van de 'oppervlakken' die aan het medium zijn blootgesteld, is samengesteld uit de polaire koppen van de groepen die aan glycerol zijn gehecht en de 'vulling' van de sandwich bestaat uit de hydrofobe staarten (de vetzuren veresterd tot de andere twee koolstofatomen van het glycerolskelet).
De enige manier waarop een fosfolipide kan deelnemen aan de vorming van een micel, is wanneer een van de twee vetzuurketens wordt verwijderd door hydrolyse.
Organisatie
In een micel, zoals vermeld, sekwestreert het "centrum" de niet-polaire delen van de moleculen waaruit ze bestaan en isoleert ze uit het water.
Het centrale gebied van een micel bestaat dus uit een zeer ongeordende omgeving, met vloeistofachtige kenmerken, waarin de straalmaat tussen 10 en 30% kleiner is dan die van de volledig verlengde ketens van niet-amfipatische moleculen. geassocieerd met het moleculaire complex.
Evenzo is het oppervlak van een micel niet homogeen maar eerder "ruw" en heterogeen, waarvan sommige nucleaire magnetische resonantiestudies aangeven dat slechts een derde wordt bedekt door de polaire delen van de samenstellende monomeren.
Functie
Micellen hebben zeer belangrijke functies, zowel in de natuur als in de industrie en in onderzoek.
Met betrekking tot hun functies in de natuur zijn deze moleculaire aggregaten bijzonder belangrijk voor de opname van vetten in de darmen (monoglyceriden en vetzuren), aangezien micellen van verschillende grootte en samenstellingen kunnen worden gevormd uit de vetmoleculen die met voedsel worden ingenomen en deze naar de in de cellen van de darmwand, waardoor ze kunnen worden opgenomen.
Micellen werken ook bij het transport van cholesterol (een andere klasse van cellulaire lipiden) die via de voeding worden verkregen en van enkele zogenaamde "in vet oplosbare" vitamines, en daarom worden ze ook farmacologisch gebruikt voor het transport en de toediening van geneesmiddelen met apolaire kenmerken.
De wasmiddelen en zepen die dagelijks worden gebruikt voor persoonlijke hygiëne of voor het reinigen van verschillende soorten oppervlakken, zijn samengesteld uit lipidemoleculen die micellen kunnen vormen wanneer ze zich in een waterige oplossing bevinden.
Deze micellen gedragen zich als kleine balletjes in een lager en geven zeepachtige oplossingen hun gladde consistentie en smerende eigenschappen. De werking van de meeste wasmiddelen is sterk afhankelijk van hun vermogen om micellen te produceren.
In het onderzoek en de studie van membraaneiwitten worden bijvoorbeeld detergentia gebruikt om de cellysaten te "zuiveren" van de lipiden die de karakteristieke dubbellaag van membranen vormen, en om de integrale membraaneiwitten te scheiden van de hydrofobe componenten. van dit.
Opleiding
Om de vorming van micellaire structuren, vooral in detergentia, te begrijpen, is het noodzakelijk om rekening te houden met een enigszins abstract concept: de kritische micellaire concentratie of CMC.
De kritische micellaire concentratie is die concentratie van amfipatische moleculen waarbij micellen zich beginnen te vormen. Het is een referentiewaarde waarboven een toename van de concentratie van deze moleculen alleen zal eindigen met een toename van het aantal micellen, en waaronder deze bij voorkeur georganiseerd zijn in lagen op het oppervlak van het waterige medium dat ze bevat. .
Verschillen en overeenkomsten tussen een micel en een dubbellaag gevormd door fosfolipiden (Bron: 31 maart 2003 in: Gebruiker: Stephen Gilbert, 31 maart 2003 in: Gebruiker: Stephen Gilbert, 27 december 2004 in: Gebruiker: Quadell, vertaling Gebruiker: imartin6 / CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) via Wikimedia Commons)
De vorming van micellen is dus een direct gevolg van de "amfifiliciteit" van oppervlakteactieve stoffen en is in hoge mate afhankelijk van hun structurele kenmerken, in het bijzonder van de vorm en grootte-relatie tussen de polaire en apolaire groepen.
In die zin wordt de vorming van micellen bevorderd wanneer het dwarsdoorsnedegebied van de polaire groep veel groter is dan dat van de apolaire groep, zoals gebeurt bij vrije vetzuren, bij lysofosfolipiden en bij detergentia zoals natriumdodecylsulfaat ( SDS).
Twee andere parameters waarvan micelvorming afhankelijk is, zijn:
- Temperatuur: de kritische micellaire temperatuur (CMT) is ook gedefinieerd, dit is de temperatuur waarboven de vorming van micellen wordt bevorderd
- Ionische sterkte: die vooral relevant is voor ionische wasmiddelen of oppervlakteactieve stoffen (waarvan de polaire groep een lading heeft)
Referenties
- Hassan, PA, Verma, G., en Ganguly, R. (2011). 1 Zachte materialen À Eigenschappen en toepassingen. Functionele materialen: voorbereiding, verwerking en toepassingen, 1.
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, Bretscher, A., … & Matsudaira, P. (2008). Moleculaire celbiologie. Macmillan.
- Luckey, M. (2014). Membraan structurele biologie: met biochemische en biofysische grondslagen. Cambridge University Press.
- Nelson, DL en Cox, MM (2009). Lehninger principes van biochemie (pp. 71-85). New York: WH Freeman.
- Tanford, C. (1972). Micel vorm en maat. The Journal of Physical Chemistry, 76 (21), 3020-3024.
- Zhang, Y., Cao, Y., Luo, S., Mukerabigwi, JF en Liu, M. (2016). Nanodeeltjes als medicijnafgiftesystemen voor combinatietherapie voor kanker. In Nanobiomaterials in Cancer Therapy (pp. 253-280). William Andrew Publishing.