3. Фазові переходи мембранних ліпідів

У водному середовищі різні структури, утворені фосфоліпідами (ламелярні, міцелярні, гексагональні) поводять себе як рідкі кристали, тобто анізотропні рідини з ознаками впорядкованості (рис. 4.4). Таким структурам притаманні ліотропний мезоморфізм (залежність структури від гідратації) і термотропний мезоморфізм (залежність структури від температури). Фазові переходи ліпідів, які здійснюються по типу «гель – рідкий кристал», відбуваються при температурі (Т_кр), величина якої залежить від вмісту води в системі.

Рис. 4.4. Структури, які утворюються у водних суспензіях ліпідами, схильними до утворення ламелярних утворень (А) і небішарових гексагональних утворень (Б)

Т_кр досягає мінімуму, коли загальний вміст води перевищує ту кількість, яку можуть зв'язувати ліпідні структури. Фазова діаграма для яєчного лецитину, що характеризує співвідношення різних мезоформ цього ліпіду у різних умовах представлена на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Фазова діаграма суміші яєчного лецитину з водою: I – рідкокристалічний стан, бішар; II – двохфазна система: вода-бішарова структура; III – область існування ламелярних і гексагональних структур; IV – гель. Т_кр – крива температури фазового переходу.

Прикладом того, як суттєво впливає вода на фазові переходи, є модифікація фазового стану мембрани під впливом перекисного окислення ліпідів (ПОЛ), коли Т_кр знижується. Це явище пояснюється збільшенням вмісту води в бішарі. Чому це відбувається?

Гідратація бішару залежить від присутності заряджених фосфоліпідів, найбільш сильно вона зростає при індукції ПОЛ. Гідропероксиди, які утворюються в якості проміжних продуктів, є високогідрофільними, вони ефективно руйнують бішар, збільшуючи доступність гідрофобних доменів мембрани для молекул води. Саме з цих причин ПОЛ має такий «руйнуючий » вплив на мембранні структури.

У момент фазового переходу бішару відбувається кілька однотимчасових подій: зростає рухливість полярних -N⁺-(CH₃)₃-груп; збільшується обертальна рухливість С-С зв'язків, що призводить до полегшення транс-гош переходу і утворення кінків; збільшується швидкість латеральної дифузії молекул.

Наслідком цього є зміна геометричних розмірів бішару, яка пояснюється латеральним розширенням площі, яку займає кожна молекула фосфоліпідів, та збільшенням гідрофобного об’єму мембрани. Через неодночасність прояви цих властивостей у ході фазових перебудов бішару більш впорядковані області мембрани співіснують з уже розплавленими – спостерігається фазовий поділ (рис. 4.6). За цих умов для мембрани характерно існування різного роду дефектів, які індукують взаємодію білкових молекул одна з однною, вбудовування у бішар сполук, підвищення проникності для іонів і т.д.

Р ис. 4.6. Розділення фаз у гетерогенному бішарі (А) з одночасним фазовим переходом частини бішару (Б) під впливом температури.

.

Фазові переходи в мембрані індукуються не тільки змінами температури. Вони можуть бути викликані змінами pH середовища, електричного потенціалу, двох-валентними катіонами, що сприяють утворенню кластерів певних фосфоліпідів і розділенню фаз; фазові переходи також супроводжують дію гормонів на біологічні мембрани. Таким чином, дослідження термотропних переходів має не тільки теоретичне значення: аналогічні переходи здійснюються в біологічних системах при підготовці тварин до сну або виході із зимової сплячки, при термоадаптації, адаптації риб, які мігрують до морської води.

Окрім переходу типу «гель – рідкий кристал» ліпіди можуть зазнавати перетворення іншого роду, що призводять до утворення гексагональної фази Н_II. Ці небішарові структури легко утворюють коротколанцюгові фосфоліпіди з полярними головками (наприклад, фосфатидилсерин, фосфатидна кислота). Утворенню гексагональних структур сприяють такі явища, як підвищення температури, збільшення ненасиченості жирнокислотних ланцюгів, висока іонна сила при лужному рН, а також зниження гідратації бішару. Перехід окремих ділянок бішару в фазу Н_II приводить до порушення цілісності мембрани, формуванню каналів проникності, утворення дефектних зон.

Переходи такого роду були зареєстровані у штучних мембранах. У нативних мембранах, ймовірно, вони також можуть утворюватися. Для мембран хлоропластів переходам бішару в гексагональну Н_II-фазу приписується важлива регуляторна роль. Припускають, що в мембранах саркоплазматичного ретикулуму м'язів такі переходи можуть індукуватися в результаті ферментативного обміну залишками жирних кислот між довголанцюговими фосфатидилсерином і коротколанцюговим фосфатидилхоліном. Як вже згадувалося, гексагональна фаза може полегшувати фліп-флоп переходи ліпідних молекул.