Вещество при разных температуре, давлении, концентрациях химических компонентов может находиться в различных физических состояниях, например, газообразном, жидком, твердом, плазменном. Различие между твердым аморфным телом и жидкостью состоит в характере движения частиц. И молекулы жидкости, и молекулы твердого тела совершают колебательные (иногда вращательные) 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.

Липидные бислойные мембраны при физиологических условиях - жидкие, время оседлой жизни фосфолипидных молекул в мембране мало: i » 0 -7 – 10-8 с. Но молекулы в мембране размещены не беспорядочно, в их расположении наблюдается дальний порядок. Фосфолипидные молекулы находятся в двойном слое, а их гидрофобные хвосты приблизительно параллельны друг другу. Есть порядок и в ориентации полярных гидрофильных голов. Физическое состояние, при котором есть дальний порядок во взаимной ориентации и расположении молекул, но агрегатное состояние жидкое, называется жидкокристаллическим состоянием.

Жидкие кристаллы могут образовываться не во всех веществах, а в веществах из "длинных молекул" (поперечные размеры которых меньше продольных). Могут быть различные жидкокристаллические структуры:

• нематическая (нитевидная), когда длинные молекулы ориентированы параллельно друг другу;
• смектическая (мылообразная) - молекулы параллельны друг другу и располагаются слоями;
• холестерическая — молекулы располагаются параллельно друг другу в одной плоскости, но в разных плоскостях ориентации молекул разные (повернуты на некоторый угол в одной плоскости относительно другой).

Бислойная липидная фаза биологических мембран соответствует смектическому жидкокристаллическому состоянию. Жидкокристаллические структуры очень чувствительны к изменению температуры, давления, химического состава, электрическому полю. Это определяет динамичность липидных бислойных мембран - изменение их структуры при различных, даже небольших изменениях внешних условий или химического состава. При изменении условий вещество может перейти в другое фазовое состояние.

Физическими методами исследования показано, что липидная часть биологических мембран при определенных температурах испытывает фазовый переход первого рода. В фосфолипидной мембране при понижении температуры происходит переход из жидкокристаллического в гель-состояние, которое условно иногда называют твердокристаллическим. В гель-состоянии молекулы расположены еще более упорядочено, чем в жидкокристаллическом. Все гидрофобные углеводородные хвосты фосфолипидных молекул в гель-фазе полностью вытянуты строго параллельно друг другу (имеют полностью транс-конформацию). 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. Толщина мембраны в гель-фазе больше, чем в жидком кристалле. Однако при переходе из твердого в жидкокристаллическое состояние объем несколько увеличивается, потому что значительно увеличивается площадь мембраны, приходящаяся на одну молекулу. Так как в твердокристаллическом состоянии больше порядок, чем в жидком кристалле, ему соответствует меньшая энтропия.

В живых системах при продолжительном понижении температуры окружающей среды наблюдается адаптационное изменение химического состава мембран, обеспечивающее понижение температуры фазового перехода. Температура фазового перехода понижается при увеличении числа ненасыщенных связей в жирно-кислотных хвостах. В хвосте молекулы может быть до четырех ненасыщенных связей. В зависимости от химического состава липидных мембран температура фазового перехода гель - жидкий кристалл может меняться от -20 °С (для мембран из ненасыщенных липидов) до +60 °С (для насыщенных липидов). Увеличение числа ненасыщенных липидов в мембране при понижении температуры обитания наблюдается у микроорганизмов, растительных и животных клеток.

Первичный механизм криоповреждений (повреждений при охлаждениях) биологических мембран связан с фазовым переходом в гель-состояние. Поэтому биологические мембраны содержат большое количество холестерина, уменьшающего изменения в мембране, сопровождающие фазовый переход. У некоторых микроорганизмов биологические 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. При фазовых переходах из гель- в жидкокристаллическое состояние и обратно в липидном бислое образуются сквозные каналы, радиусом 1-3 нм, по которым через мембрану могут переноситься ионы и низкомолекулярные вещества. Вследствие этого при температуре фазового перехода резко увеличивается ионная проводимость мембраны.

Очень существенным является то обстоятельство, что молекулы фосфолипидов имеют два хвоста. Такая молекула в пространстве имеет форму, близкую к цилиндру. Из молекул фосфолипидов в водной среде происходит самосборка бислойной мембраны. Присутствие молекул с одним хвостом (лизолецитин), имеющих в пространстве форму, близкую к конусу, разрушает клеточные мембраны. Фосфолипидные молекулы, лишенные одного из хвостов, образуют поры в бислойной мембране, т.е. нарушается барьерная функция мембран. Плотность упаковки фосфолипидов в липидном каркасе зависит от того, какие жирные кислоты входят в состав фосфолипидов – чем больше двойных связей между атомами углерода в СН-цепях, тем больше промежуток между соседними молекулами в мембранном каркасе, что, в свою очередь, уменьшает его жесткость и усиливает проницаемость мембраны для веществ.

Вместе с тем на плотность упаковки фосфолипидов влияет холестерин –стероид, в молекуле которого четыре кольца. Холестерин способен встраиваться в липидный строй. При этом мембрана уплотняется. Площадь, занимаемая фосфолипидами мембраны сокращается, до тех пор, пока на одну молекулу холестерина не будет приходиться 2 молекулы фосфолипидов. При этом мембрана становится более вязкой.

Третий класс мембранных липидов – гликолипиды – играет важную роль в предотвращении слипания соседних клеток. Эти липиды обеспечивают отрицательный заряд на поверхности мембраны и способствуют электростатическому отталкиванию. При избыточном содержании гликолипидов возможно сильное разобщение липидов и нарушение информационного взаимодействия.

Установлены значительные различия липидного состава разных биологических мембран. Мембранам свойственна постоянная перестройка липидного состава. Разрушение липидов происходит под действием лизолейцина (двуцепочный фосфолипид превращается в одноцепочный). Реакция катализируется ферментом фосфолипазой А2. В естественных условиях эндогенная фосфолипаза А2 обеспечивает постоянное обновление липидного каркаса, а во внутренней регуляции, служит катализатором синтеза простагландинов из арахидоновой кислоты. Избыточное поступление в организм человека фосфолипазы (при укусах некоторых змей) вызывает разрушение мембран, несовместимое с жизнью. Другая фосфолипаза С, выделяемая некоторыми микроорганизмами, «откусывает» головы липидов, и также приводит в разрушению липидного каркаса мембраны.