3. Амфіпатична природа мембранних ліпідів і організація ліпідних міцел, ліпосом та бішару

Стереоконфігурація мембранних ліпідів має спільні риси. Опинившись у водному розчині, фосфоліпіди поводяться подібним чином: намагаються створити ансамблі з багатьох молекул ліпідів. Водночас, ліпіди погано розчиняються як в полярному розчиннику – воді (заважають неполярні хвости), так і в неполярному середовищі – олії (заважають полярні головки). Щоб підкреслити різне ставлення до води і жиру, головки називають гідрофільними, а хвости ліпофільними (або гідрофобними). Відповідно, ліпіди, молекули яких містять як гідрофільні, так і ліпофільні групи, називають амфіфільними (або амфіпатичними).

Амфіпатичні ліпіди, а також жирні кислоти на поверхні води утворюють моношар, у якому полярні ділянки (голівки) взаємодіють із водою, а аполярні хвости спрямовані у повітря (рис. 2.2).

Будова ліпідних агрегатів у водному середовищі залежить не тільки від природи самого ліпіду, але й від його концентрації, температури і присутності інших речовин. Більшість ліпідів погано розчиняються у воді. Ліпіди лише при дуже великому розведенні знаходяться у воді у вигляді окремих, не пов'язаних між собою молекул. Навіть при невеликому підвищенні концентрації ліпіду його молекули об'єднуються в замкнуті агрегати, так звані міцели. Концентрацію, при якій утворюються міцели, називають критичною концентрацією міцелоутворення (ККМ). Для більшості мембранних ліпідів вона становить менше 1%. При збільшенні концентрації ліпіду у воді і при зниженні температури кількість таких міцел зростає. У розведених водних розчинах утворюються переважно кулясті міцели – мікроскопічні капельки, у яких полярні головки направлені назовні, а неполярні хвости звернені всередину. У олії відбувається аналогічний процес, але тут міцели виявляються ніби вивернутими навиворіт. Якщо концентрація ліпідів у воді висока, то міцели зливаються і утворюються плоскі бімолекулярні шари, які є аналогами структури мембранного ліпідного бішару (рис. 2.2).

Рис 2.2. Розміщення фосфоліпідів на межі поділу: 1 – моношар амфіфільних ліпідів на поверхні води; 2 – міцела; 3 – бімолекулярний ліпідний шар.

П ри відносно малому вмісті води фосфоліпіди можуть утворювати декілька типів рідкокристалічних структур (рис. 2.3).

Рис 2.3. Структури ліпідних агрегатів у воді: А – гелеподібна, Б – ламелярна, В – циліндрична (гексагональна) фаза ліпідів у воді, Г – циліндри води в ліпідній фазі.

Серед них є ламелярна (шарувата) структура, що складається з ліпідних молекулярних шарів і водних проміжків, які чергуються, а також циліндричні структури з молекул ліпідів, розташованих у водній фазі. Одна структура може переходити в іншу при зміні концентрації води та температури. Таку поведінку називають «мезоморфізмом». Якщо перехід одних агрегатів в інші залежить від вмісту води, говорять про «ліотропний мезоморфізм». Коли він здійснюється під впливом змін температури – про «термотропний мезоморфізм». Такі фазові переходи можливі і в біологічних мембранах і вони відіграють велику роль у житті клітин.

Наявність у молекул ліпідів двох частин – полярної (головки) і неполярної (хвостів) – має пряме відношення до їх спроможності мимовільно утворювати мембрани – відбувається так зване самозбирання мембранного бішару. У бішарових структурах полярні «головки» обернені до води, а гідрофобні хвости орієнтовані всередину бішару. Як штучні, так і природні мембрани, завжди замкнені самі на себе, створюючи округлі вакуолі, бульбашки, везикули, плоскі замкнуті мішки або трубчасті утворення. Природні фосфоліпіди – виражені амфіфіли. Величина критичної концентрації міцелоутворення для них дуже мала. Іншими словами, вже при низьких концентраціях при кімнатній температурі вони утворюють впорядковані міцели, що зливаються при підвищенні концентрації фосфоліпіду в одношарові або багатошарові фосфоліпідні везикули – ліпосоми. Термін ліпосома (лат. – ліпідне тіло) стосується б удь-яких ліпідних бішарових структур, вміст яких є водним розчином якоїсь речовини. Вони є широко розповсюдженою моделлю біологічних мембран. Ліпосоми являють собою замкнені сферичні пухирці, утворені з різних амфіпатичних речовин, таких як фосфоліпіди. При взаємодії з водними розчинами ці речовини самоорганізуються у двошарові мембрани. У процесі утворення ліпосом у них можуть включатися різноманітні хімічні сполуки, зокрема це використовується для створення систем доставки включених у них лікарських препаратів.

Форма і розміри утворених ліпідних асоціатів залежать від багатьох факторів:

1) від довжини ацильних ланцюгів фосфоліпідів – при зростанні довжини жирнокислотного ланцюга щільність упаковки в міцелах збільшується швидше;

2) від жирнокислотного складу фосфоліпідів – асоціати, утворені жирними кислотами з парною кількістю атомів вуглецю, стабільніші;

3) від ступеня ненасиченості ацильних ланцюгів фосфоліпідів – плівки із суміші ліпідів, що містять як насичені, так і ненасичені ланцюги при тій же температурі є більш рідкими, ніж плівки, побудовані з ліпідів, що містять тільки насичені ланцюги. Для того, щоб клітина могла проявляти процеси життєдіяльності, ліпіди, що входять до складу її мембран, обов'язково повинні перебувати в стані «рідкої» плівки.

Зрозуміло тому, що клітини дуже чутливо реагують на зміни температури, прагнучи до того, щоб їх мембрана постійно залишалася в «рідко-критсалічному» стані. Як тільки знижується температура навколишнього середовища, бактерії замінюють насичені ліпіди у своїх мембранах на ненасичені. Так само поводяться клітини рослин та холоднокровних тварин. Організм людини і теплокровних тварин забезпечують «рідкий» стан своїх клітинних мембран, підтримуючи строго постійну температуру тіла.

4) від структури полярної частини молекул фосфоліпідів. Головки несуть або негативний заряд, або одночасно негативний і позитивний заряди, які нейтралізують один одного. Саме останній тип ліпідів (нейтральні) переважає в більшості клітинних мембран. У разі електронейтральних полярних головок ліпідні молекули можуть бути упаковані так, щоб повністю реалізувалася вигода гідрофобної взаємодії неполярних ланцюгів.