В биофизике и коллоидной химии полиморфизм — это способность липидов агрегировать различными способами, что приводит к образованию структур различной формы, известных как « фазы ». Это может быть в форме сфер липидных молекул ( мицелл ), пар слоев, которые обращены друг к другу ( ламеллярная фаза , наблюдаемая в биологических системах как липидный бислой ), трубчатого расположения ( гексагонального ) или различных кубических фаз (Fd 3 m, Im 3 m, Ia 3 m, Pn 3 m и Pm 3 m — те, что обнаружены к настоящему времени). Также наблюдались более сложные агрегации, такие как ромбоэдрические , тетрагональные и орторомбические фазы.
Он составляет важную часть современных академических исследований в области биофизики мембран (полиморфизм), биохимии (биологическое воздействие) и органической химии (синтез).
Определение топологии липидной системы возможно с помощью ряда методов, наиболее надежным из которых является рентгеновская дифракция . При этом используется пучок рентгеновских лучей, рассеиваемых образцом, что дает дифракционную картину в виде набора колец. Отношение расстояний этих колец от центральной точки указывает на то, какая фаза(ы) присутствует.
На структурную фазу агрегации влияют соотношение присутствующих липидов, температура, гидратация, давление и ионная сила (и тип).
При липидном полиморфизме, если коэффициент упаковки [ необходимо уточнение ] липидов больше или меньше единицы, липидные мембраны могут образовывать две отдельные гексагональные фазы или неламеллярные фазы, в которых образуются длинные трубчатые агрегаты в зависимости от среды, в которую вводится липид.
Эта фаза предпочтительна в растворах моющего средства в воде и имеет коэффициент упаковки менее единицы. Мицеллярная популяция в смеси моющего средства с водой не может увеличиваться без ограничений по мере увеличения соотношения моющего средства к воде. В присутствии небольшого количества воды липиды, которые обычно образуют мицеллы, будут образовывать более крупные агрегаты в форме мицеллярных трубочек, чтобы удовлетворить требованиям гидрофобного эффекта. Эти агрегаты можно рассматривать как мицеллы, которые слиты вместе. Эти трубки имеют полярные головные группы, обращенные наружу, и гидрофобные углеводородные цепи, обращенные внутрь. Эта фаза наблюдается только в уникальных, специализированных условиях и, скорее всего, не имеет отношения к биологическим мембранам.
Молекулы липидов в фазе HII упаковываются обратно упаковке, наблюдаемой в гексагональной фазе I, описанной выше. Эта фаза имеет полярные головные группы внутри и гидрофобные углеводородные хвосты снаружи в растворе. Коэффициент упаковки для этой фазы больше единицы, [1] , что является синонимом упаковки обратного конуса.
Образуются расширенные массивы длинных трубок (как в гексагональной фазе I), но из-за способа упаковки полярных головных групп трубки принимают форму водных каналов. Эти массивы могут складываться вместе, как трубы. Такой способ упаковки может оставлять конечную гидрофобную поверхность в контакте с водой на внешней стороне массива. Однако в остальном энергетически выгодная упаковка, по-видимому, стабилизирует эту фазу в целом. Также возможно, что внешний монослой липида покрывает поверхность набора трубок, чтобы защитить гидрофобную поверхность от взаимодействия с водной фазой.
Предполагается, что эта фаза образована липидами в растворе для компенсации гидрофобного эффекта. Плотная упаковка головных групп липидов уменьшает их контакт с водной фазой. Это, в свою очередь, уменьшает количество упорядоченных, но несвязанных молекул воды. Наиболее распространенные липиды, образующие эту фазу, включают фосфатидилэтаноламин (ПЭ), когда он имеет ненасыщенные углеводородные цепи. Дифосфатидилглицерин (ДПГ, также известный как кардиолипин) в присутствии кальция также способен образовывать эту фазу.
Существует несколько методов, используемых для картирования того, какая фаза присутствует во время возмущений, производимых на липиде. Эти возмущения включают изменения pH, изменения температуры, изменения давления, изменения объема и т. д.
Наиболее распространенной методикой, используемой для изучения присутствия фосфолипидной фазы, является ядерный магнитный резонанс фосфора (31P ЯМР). В этой методике наблюдаются различные и уникальные картины порошковой дифракции для пластинчатых, гексагональных и изотропных фаз. Другие методики, которые используются и предлагают окончательные доказательства существования пластинчатых и гексагональных фаз, включают электронную микроскопию замораживания-разрушения, рентгеновскую дифракцию , дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК) и ядерный магнитный резонанс дейтерия (2H ЯМР).
Кроме того, было показано, что негативная окраска просвечивающей электронной микроскопии является полезным инструментом для изучения поведения липидного бислоя фазы и полиморфизма в пластинчатую фазу , мицеллярную, однослойную липосому и гексагональные водно-липидные структуры в водных дисперсиях мембранных липидов . [2] Поскольку водорастворимое негативное окрашивание исключается из гидрофобной части (жирные ацильные цепи) липидных агрегатов, гидрофильные головные части липидных агрегатов окрашиваются в темный цвет и четко обозначают контуры липидных агрегатов (см. рисунок).