Основные типы структурной организации водно-липидных систем схематично представлены на рис. 2.4.

1.Ламеллярная жидкокристаллическая фаза, Считают, что именно в этой фазе находится основная масса липидов в биологических мембранах. Как свидетельствуют данные дифракции рентгеновских лучей, для этой фазы характерно упорядоченное расположение слоистых структур при значительной неупорядоченности ацильных цепей.

2.Ламеллярная гелевая фаза. Она образуется при низкой температуре теми липидами, которые формируют слоистые структуры. В этой фазе молекулы упакованы более плотно, а ацильные цепи намного более упорядочены и находятся преимущественно в полнос-тью-трянс-конфигурации, как и в липидных кристаллах. Поскольку цепи максимально вытянуты, толщина бислоя в фазе геля выше, чем в жидкокристаллической фазе. Плотность фазы геля несколько выше плотности жидкокристаллической фазы. В случае липидов, имеющих объемные полярные головки, ацильные цепи наклонены относительно поверхности бислоя подобно тому, как это наблюдается в некоторых липидных кристаллах. Наклон цепей обычно обозначают штрихом Интересно, что дисперсии фосфатидилхолина в растворах, содержащих некоторые спирты, в том числе и глицерол, образуют необычную фазу геля, в которой противолежащие половины «бислоя» своими ациль-ными цепями полностью проникают друг в друга. Биологическая роль этого явления неясна.

3. Гексагональная фаза I. В этом случае липидные молеку- лы формируют цилиндрические структуры, поверхность которых образована полярными головками и контактирует с водой. Сами цилиндры упаковываются с образованием гексагональной решетки.

4. Гексагональная фаза II. Липиды также образуют цилиндры, но в этом случае полярные группы обращены внутрь цилиндра и формируют водный канал. Упаковка самих цилиндров также является гексагональной.

Очень важно, что некоторые липиды образуют небислойные структуры. Действительно, многие очищенные мембранные липиды не образуют стабильных бислоев, а предпочитают находится в гек-

сагональной фазе Ни. В качестве примера можно упомянуть ненасыщенные фосфатидилэтаноламины, а также такой гликолипид, как моногалактозилдиацилглицерол. Причины такого поведения и его возможная биологическая значимость обсуждаются в следующих разделах.

2.1 ГИДРАТАЦИЯ ЛИПИДОВ

Параметры можно определить по данным дифракции рентгеновских лучей. Как правило, те параметры, которые зависят главным образом от длины ацильных цепей, почти не меняются при увеличении содержания воды в системе. Гидратация липидов происходит в результате связывания воды с полярными головками. Процесс гидратации активно изучали методами 'Н- и 2Н-ЯМР. Результаты, полученные при изучении фос-фатидилглицерола, фосфатидилхолина и фосфатидилэтаноламина методом 2Н-ЯМР, говорят о наличии гидратной оболочки из 11 — 16 молекул воды на одну молекулу липида. Эти молекулы быстро обмениваются с молекулами воды, находящимися в основном объеме. Согласно другим измерениям, полярная головка фосфатидилэтаноламина связывает меньше воды, чем полярная головка фосфатидилхолина. Было высказано предположение, что в случае ненасыщенных фосфатидилэтаноламинов слабая гидратация благоприятствует образованию неламеллярной гексагональной фазы Ни.

Многие липиды набухают в воде. Липиды, которые не несут заряда или являются в целом электрически нейтральными, не набухают совсем или набухают лишь в ограниченной степени до предельной толщины водной прослойки между ламеллами. При избытке воды сосуществуют две фазы — мультиламеллярная липидная фаза и вода, находящаяся в основном объеме. Заряженные липиды склонны к неограниченному набуханию и могут включать воду между ламеллами вплоть до пороговой точки, когда образуются две фазы — полностью гидратированные моноламелярные везикулы, находящиеся в равновесии с водой в основном объеме. Степень набухания и относительная стабильность мульти- и моноламеллярных структур определяются электростатическими взаимодействиями. При низкой ионной силе происходит дестабилизация мультиламеллярных структур. Неограниченное набухание может происходить и в том случае, когда в смеси липидов содержится всего несколько процентов заряженных липидов.

Поляризация молекул воды вблизи полярных липидных головок приводит к сильному отталкиванию при сближении двух бислоев. Эта «гидратационная сила» удерживает гидратированные бислои на расстоянии не менее 30 А друг от друга. Именно она создает основной энергетический барьер, который следует преодолеть, пытаясь осуществить слияние мембран. Возможно, фосфатидилэтаноламиновые везикулы склонны к агрегации именно потому, что степень гидратации их полярных головок относительно низка.

Исследования, проведенные методом ЭПР с помощью спиновых меток, способных реагировать на полярность своего окружения на различной глубине от поверхности бислоя, показывают, что вода частично проникает в углеводородную область бислоя, находящуюся в жидкокристаллическом состоянии. По данным нейтронного рассеяния, когда бислой находится в состоянии геля, вода не проникает глубже глицеролового остова липидных молекул.

2.2 ФАЗОВЫЕ ДИАГРАММЫ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ВОДНО-ЛИПИДНЫХ СИСТЕМ

На рис. 2.5 представлена фазовая диаграмма в координатах температура—концентрация для двух распространенных гликолипидов, выделенных из растений. Дигалактозилдиацилгли-церол образует стабильную ламеллярную фазу. При низком содержании воды имеется только гидратированная фаза, а при содержании воды 20% сосуществуют две фазы — мультиламеллярная гидратированная липидная фаза и вода основного объема. К неограниченному набуханию ДГДГ не способен.

На приведена фазовая диаграмма для дипальмитоилфос-фатидилхолина. Этот липид существует в ламеллярной форме при самых разных условиях. При добавлении воды он «набухает» до тех пор, пока между слоями не скопится максимально возможное количество воды. В этой точке образуется двухфазная система, представляющая собой взвесь мультиламеллярных липо-сом. Обратите внимание, что между фазой геля и жидкокристаллической ламеллярной фазой имеется еще одна фаза. Это так называемая «рифленая» фаза. В этой фазе поверхность бислоя на электронных микрофотографиях имеет волнообразный вид. Температурный фазовый переход Р0, -» La называется главным, а переход ц, -» Р^, — предпереходом.

Липиды, имеющие объемные полярные головки, обычно претерпевают предпереход, свидетельствующий о наличии фазы, промужеточной между гелевой и жидкокристаллической. В Ра,-фазе дипальмитоилфосфатидилхо-лина ацильные цепи, вероятно, наклонены, хотя спектры комбинационного рассеяния говорят о том, что они по-прежнему, как и в фазе геля, находятся преимущественно в полностью-трянс-конфигурации.

2.3 ДВА МЕТОДА ИЗУЧЕНИЯ ЛИПИДНОГО ПОЛИМОРФИЗМА