Физическое состояние и особенности фазовых переходов липидов в мембранах

Вещество при разной температуре, давлении, концентрациях химических компонентов может находиться в различных физических состояниях, например газообразном, жидком, твердом, плазменном. Кристаллическому твердому состоянию вещества могут соответствовать разные фазовые состояния. В качестве примера разных кристаллических модификаций одного и того же вещества - углерода - можно назвать графит и алмаз. Характерными, отличительными чертами твердого тела являются собственный объем, форма, механическая прочность; жидкости — собственный объем, отсутствие упругости по отношению к изменению формы и механической прочности, текучесть.

Твердое тело может быть как кристаллическим, так и аморфным, например, стекло. Различие между твердым аморфным телом и жидкостью состоит не в наличии или отсутствии дальнего порядка, а в характере движения частиц. И молекулы жидкости, и молекулы твердого тела совершают колебательные движения около положения равновесия. Через некоторое среднее время - "время оседлой жизни" - происходит перескок молекулы в другое положение равновесия. Различие заключается в том, что время оседлой жизни в жидкости много меньше, чем в твердом теле.

Жидкие кристаллы могут образовываться не во всех веществах, а в веществах из "длинных молекул". Могут быть различные жидкокристаллические структуры.

Бислойная липидная фаза биологических мембран соответствует смектическому жидкокристаллическому состоянию. Эти (смектические) жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, с несколькими вариантами расположения молекул в слоях. Слои могут без помех скользить друг по другу.

Жидкокристаллические структуры очень чувствительны к изменению температуры, давления, химического состава, электрическому полю. При изменении условий вещество может перейти в другое фазовое состояние. В гель - состоянии молекулы расположены еще более упорядоченно, чем в жидкокристаллическом. Все гидрофобные углеводородные хвосты фосфолипидных молекул в гель - фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу. В жидком кристалле за счет теплового движения возможны транс - гош - переходы, хвосты молекул изгибаются, их параллельность друг другу в отдельных местах нарушается, особенно сильно в середине мембраны. Для нормального функционирования мембрана должна быть в жидкокристаллическом состоянии. У некоторых микроорганизмов мембраны находятся при температурах, лишь на немного превышающих температуру фазовых переходов липидов. Мембрана содержит десятки разных липидов, которым соответствуют разные температуры фазового перехода, в том числе близкие к физиологическим. При понижении температуры в мембране происходят фазовые превращения в липидном бислое.