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生物液晶辞典

已有 3777 次阅读 2011-9-9 01:19 |系统分类:科普集锦| 液晶相变, 生物病变

生物液晶辞典(A  Dictionary of Biological Liquid Crystals)

 

晶体(crystal)内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体,具有长程有序。

固体(amorphous body)内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体,具有近程有序,但不具有长程有序。
液晶(liquid crystal)是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态,又不同于气态的特殊物质态,它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性,又具有液体的流动性。包括热致液晶和溶致液晶,分为向列相液晶,近晶相液晶,胆甾相液晶三种类型。
液晶相(liquid crystalline phase)具有高度不对称外形的有机化合物在一定温度和浓度时表现出的介于液态和晶态间的有序流体状态,又称介晶相(mesomorphic phase)。在液晶相中分子取向易受外界条件的影响而引起电性、颜色、透明度等变化。
 
热致液晶(thermotropic liquid crystal)由单一化合物或由少数化合物的均匀混合物形成的液晶。在高温时是各向同性的液体,低温时是各向异性的固体。

溶致液晶(lyotropic liquid crystal)是一种包含溶剂化合物在内的两种或多种化合物形成的液晶,它广泛存在于自然界特别是生物体组织内。在溶液中溶质分子浓度处于一定范围内时出现液晶相,它的溶剂主要是水或其它极性分子液剂。这种液晶中引起分子排列长程有序的主要原因是溶质与溶剂分子之间的相互作用,而溶质分子之间的相互作用是次要的。
介晶态(mesomorphic state)液晶结构介于晶体和液体之间,所以也称它为介晶态,可分为四种介晶态,包括近晶态(smectic state)、向列态(nematic state)、胆甾型介晶态(cholesteric state)和碟状介晶态(discotic state)。

向列型(nematic):分子呈棒状,分子的质心有长程的有序性,分子排列方式如同一把筷子。上下方向排列整齐,但沿前后左右方向排列可以变动并不规则。具有不易变形的棒状分子这种形态的化合物都能形成“向列型液晶”。它的分子成棒状,局部地区的分子趋向于沿同一方向排列。分子短程相互作用比较弱,其排列和运动比较自由,分子这种排列状态使其粘度小、流动性强。

近晶相(smectic)液晶内部包含许多棒状或条状的分子,它们有序排列成层,在每层中,分子的长轴相互之间是平行分布的。该长轴可以垂直于层面,也可以与层面倾斜成角。在同一层中,分子可以自由平移,体现了液体的流动性,但由于呈黏稠状,不允许在相邻层间移动。

胆甾相(cholesteric):它的分子呈扁平层状排列,分子长轴平行层平面,层内各分子长轴互相平行(对应方向)相邻两层内的分子长轴方向有微小扭转角,各层分子指向矢,沿着层的法线方向连续均匀旋转,使液晶整体结构形成螺旋结构,使得该种晶体具有明显的旋光性、圆偏振光二向色性以及选择性光散射等特殊光学性质。

液晶相变(phase transition):当外界条件(温度、压力、溶液性质等)发生改变时液晶物质会转变成无序的液体、固体沉淀、析出晶体,或转变为新的液晶状态。

生物液晶(Biological Liquid Crystals):在健康的生物体系组织结构中液晶相广泛存在。人体组织如脑、血液、肌肉、腱、卵巢、肾上腺皮质和神经等就是由溶致液晶结构构成的,它们都呈现出光双折射的性质,这是液晶的特征。生物液晶与新陈代谢、消化吸收、知觉、信息传递等生命现象密切相关,细胞膜就是很好的例子。

肌肉纤维(muscle fibers)早就被认为是类似液晶的物质,它是由两种主要的肌原纤维-肌球蛋白和肌动蛋白所组成的丝。平滑肌与横纹肌之间在结构上的不同,类似于向列相与近晶相液晶之间的不同,在光学上它们都具有双折射现象。

胶原纤维(collagenous fiber)是构成眼睛角膜的主要组分,呈平行排列,形成厚度均匀的层状结构,每一层的斜断面排列成弧形或抛物线的圆形,相邻层之间的扭转结构显示出胆甾相-向列相液晶的共同特点。

感光体(photoreceptor)层状结构,是类脂和蛋白质的双分子膜所构成,因而与细胞膜一样,具有液晶态物质的特性,在临界温度磷脂双分子层双亲结构可以进行相转变,而对光、电、压力等外来刺激和化学环境的变化也十分敏感。

生物病变(pathological changes):当生物某些代谢平衡受到干扰,变引起生物液晶遭到破坏引发了液晶相变,从而破坏细胞的功能,生物体即处于病态。如动脉粥硬化、镰刀细胞贫血症、胆结石、肾结石发生了液晶物质聚集沉淀、固体结晶析出等,癌细胞类脂相及凝集素蛋白质的液晶相变引起接触抑制消失、细胞融合等。


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