J. Phys. France 46, 761-769 (1985)
DOI: 10.1051/jphys:01985004605076100

Lyotropic effects of alkanes and headgroup composition on the lα -Hii lipid liquid crystal phase transition : hydrocarbon packing versus intrinsic curvature

G.L. Kirk et S.M. Gruner

Dept. of Physics, Princeton University, Princeton, N.J. 08544, U.S.A.

Abstract
The effects of mixed phospholipid headgroup composition and the addition of small amounts of alkane were examined with respect to the lamellar (L α) to inverse hexagonal (HII) phase transition in phospholipid-water liquid crystals. X-ray diffraction was used to probe the lattices and determine the phases. It has been postulated that competition between hydration repulsion, lipid monolayer curvature elasticity, and hydrocarbon packing determine the Lα-HIItransition, [Kirk, Gruner and Stein, Biochem. 23(1984) 1093]. Here, experiments which explored the effects of curvature and packing are described. It is shown that the radius of curvature of the lipid tubes of the HII phase could be adjusted by mixing high and low curvature lipids. However, large curvatures could not be expressed unless lipid hydrocarbon packing constraints were relieved, for instance, by the addition of alkane. Without alkane, the Lα phase extended to high temperatures; adding just 5 % alkane significantly reduced the temperature span of the Lα phase, by lowering the Lα to HII transition temperature, and dramatically expanded the HII lattice. Measurements of the internal dimensions of the HII lattice showed the lipid layer thickness to be nearly constant at a given temperature and that almost all of the lattice expansion was due to an increase in the radius of the water cores. Biological implications are discussed.

Résumé
Les effets liés à l'addition d'une petite quantité d'hydrocarbure et à la composition de groupements polaires de mélanges de phospholipides ont été examinés relativement à la transition de phase lamellaire (Lα ) hexagonale inverse (HII) dans des cristaux liquides eau-phospholipide. L'étude du réseau cristallin et la détermination des phases ont été faites aux rayons X par diffraction. Kirk, Gruner, Stein (Biochem. 23 (1984) 1093) ont postulé que la compétition entre la répulsion d'hydratation, l'élasticité due à la courbure d'une monocouche de lipide et l'empilement d'hydrocarbones détermine la transition Lα-H II. Dans cet article, nous décrivons les expériences qui permettent d'explorer les effets de courbure et d'empilement Nous montrons que le rayon de courbure des tubes de lipides de la phase HII peut être ajusté en changeant les proportions de lipides de haute et basse courbure. Cependant, pour de grandes courbures, les contraintes d'empilement lipide-hydrocarbone doivent être diminuées par l'adjonction d'hydrocarbure. Sans hydrocarbure, la phase Lα persiste à haute température; la simple adjonction de 5 % d'hydrocarbure réduit de façon spectaculaire l'intervalle de température à l'intérieur duquel la phase Lα existe; on observe une réduction de la température de transition Lα HII et une expansion spectaculaire du réseau HII. La mesure des dimensions internes du réseau HII montre que l'épaisseur de la couche du lipide est à peu près constante à une température donnée et que la presque totalité de l'expansion du réseau est due à une augmentation du rayon des groupes formés de molécules d'eau. Les implications biologiques sont discutées.

PACS
6130E - Experimental determinations of smectic, nematic, cholesteric, and other structures.
6470M - Transitions in liquid crystals.

Key words
liquid crystal phase transformations -- organic compounds -- X ray diffraction examination of liquids