Прежде чем перейти к биологическим мембранам, следует детально проанализировать структуру липидного бислоя, а также термодинамические принципы, определяющие его стабильность. Кроме того, некоторые липиды самопроизвольно образуют структуры, не имеющие бислойной организации, и эти липиды, как полагают, играют особую роль в мембранах. Мы рассмотрим структуру и термодинамику водно-липидных систем, уделяя основное внимание тем характеристикам, которые позволяют глубже понять свойства биологических мембран.

1. Жидкие кристаллы

С помощью ренгтеноструктурного анализа установлена с высоким разрешением пространственная структура ряда мембранных липидов. К ним относится лизофосфатидилхолин, димиристо-илфосфатидная кислота, димиристоилфосфатидилхолин, дилауроилфосфатидилэтаноламин, димиристоилфосфатилглицерол и цереброзид. Кристаллы этих липидов содержат очень мало воды, однако пространственная структура липидов в них оказалась подобна той, которую они имеют в полностью ги-дратированном состоянии. На рис. представлена пространственная структура некоторых из этих мембранных липидов в кристаллах. Атомы углерода остатка глицерола и соответствующие атомы Сфингозина выделены черным цветом. На рис. указаны некоторые структурные параметры, используемые для описания конфор-мации липидов.

Рассмотрим кристаллическую структуру дилауроилфосфатидил-этаноамина и укажем наиболее характерные ее особенности.

1. Площадь, приходящаяся на молекулу, составляет 39 А2.

2. Полярная головка в целом ориентирована параллельно плоскости бислоя. При этом аминогруппа образует водородную связь с неэтерифицированными атомами кислорода фосфатной группы соседней молекулы. Остаток глицерола ориентирован перпендикулярно плоскости бислоя.

3. Жирнокислотная цепь sn-2 сначала идет параллельно поверхности бислоя, а после второго углеродного атома направляется в глубь бислоя.

4. Ацильные цепи расположены перпендикулярно поверхности бислоя и, за исключением начального участка sn-2 жирнокислотной цепи, максимально вытянуты, т. е. имеют полностью-ти/имс-конфигурацию.

Кристаллические структуры фосфатидилхолина и цереброзида во многом сходны со структурой фосфаридилэтаноламина, хотя и

имеют ряд важных отличий. Наиболее значительное и явное из них состоит в наклоне ацильных цепей, сильно выраженном в случае цереброзида. Этот наклон связан с наличием стерических препятствий для упаковки молекул. Объемные полярные головки фосфати-дилхолина и цереброзида не позволяют им упаковываться в сравнительно простые структуры, как в случае дилауроилфосфатидилэта-ноламина. Площадь S, необходимая для размещения этих головок, превышает величину 39 А2, приходящуюся на поперечное сечение ацильных цепей каждой молекулы. В случае цереброзида эта проблема решается за счет наклона ацильных цепей по отношению к плоскости бислоя. В результате существенно увеличивается площадь проекции поперечного сечения ацильных цепей на плоскость бислоя. На рис. схематично показано, как благодаря наклону цепей сохраняется взаимодействие между цепями соседних молекул и обеспечивается размещение объемных полярных групп. Жирнокислотные цепи димиристоилфосфатидилхолина отклоняются от нормали к поверхности бислоя всего на 12°, тогда как в случае цереброзида это отклонение достигает 41°. Проблема упаковки объемных полярных групп диацилфосфатидилхолина может быть решена путем поочередного смещения соседних молекул вдоль нормали к бислою, как схематически показано на рис. Л Имеются убедительные данные и о значительном наклоне цепей в гелевой фазе полностью гидратированных липидных бислоев. Это наглядный пример того, как простые стерические соображения, учитывающие «форму» липидных молекул, оказываются весьма полезными при рассмотрении пространственной структуры липидов.

В кристаллах всех изученных липидов, за исключением фосфа-тидной кислоты, начальный участок 5«-2-жирнокислотной цепи направлен параллельно поверхности бислоя. Об этой особенности расположения цепей свидетельствовали также результаты ЯМР-иссле-дований фосфатидилэтаноламиновых и фосфатидилхолиновых бислоев, а также фосфолипидов в мембранах Е. coli. Физиологическая значимость этой структурной особенности неясна. Однако отмечалось, что в яичном фосфатидилхолине средняя длина sn-2-жирнокислотной цепи равна 18 углеродным атомам, а средняя длина sn-1-цепи — 16. По-видимому, это позволяет скомпенсировать излом жирнокислотной цепи во втором положении остатка глице-рола так, что обе ацильные цепи оказываются погруженными в бислой на одну и ту же глубину.

Итак, можно отметить пять основных особенностей кристаллической структуры, которые важны при рассмотрении строения липидных бислоев.

1. Все изученные структуры имеют ламеллярную организацию с таким же расположением полярных и неполярных групп, как и в бислое.

2. Некоторые липиды, например фосфатидилхолины и церебро-зиды, имеют объемные полярные головки, из-за чего возникают затруднения при упаковке молекул. Соотношение между указанными молекулярными параметрами играет важную роль при упаковке мембранных липидов не только в кристаллах, но и в модельных мембранах, а также, вероятно, и в биологических мембранах.

3. Как правило, полярные головки липидных молекул расположены в плоскости бислоя, что способствует образованию межмолекулярных водородных связей.

4. Ацильные цепи находятся в полностью-трансконфигурации.

5. В большинстве случаев.ул-2-жирнокислотные цепи начинают углубляться в бислой только после атома С-2.

Эти структурные особенности характерны и для ламеллярных систем, образуемых водно-липидными смесями в фазе геля и/или в жидкокристаллической фазе. Изучение пространственного строения липидов в кристаллах имеет важное значение при рассмотрении конформационного состояния липидов в биологических мембранах.

2. Водно-липидные смеси

Смеси липидов с водой отличаются выраженным полиморфизмом. Даже индивидуальные очищенные липиды в гидратированном состоянии могут находиться в нескольких структурных модификациях. Какая из структур преобладает, зависит от таких параметров, как концентрация липида, температура, давление, ионная сила и рН. Особенно полезным при изучении типов структурной организации водно-липидных систем оказался метод дифракции рентгеновских лучей. При этом чаще всего варьируют концентрацию липида и температуру, а полученные данные представляют в виде фазовой диаграммы, показывающей, какую структуру система имеет в различных областях диаграммы «температура — концентрация». Наряду с дифракцией рентгеновских лучей для определения фазовых границ водно-липидных систем часто используют дифференциальную сканирующую калориметрию. Эти исследования проводят обычно при высоких концентрациях липида, однако многие структуры, обнаруженные при таких условиях, образуются также в липидных дисперсиях при большом избытке воды.