Polymorphism of Ganglioside-Water Systems: a New Class of Micellar Cubic Phases. Freeze-Fracture Electron Microscopy and X-Ray Scattering Studies

(Received 27 July 1994, received in final form 4 November 1994, accepted 15 November 1994)

Abstract
The ( T, c)-dependent phase diagrams of two gangliosides, GM1 and GM1(acetyl), have been explored, in spite of the frequent occurrence of metastable states. In GM1 two lamellar, one hexagonal and two cubic (aspects 5 and 13) phases were identified, in addition to the isotropic micellar solution. In GM1(acetyl) two of the phases are cubic (aspects 8 and 13), one is the fluid isotropic solution. The structure of the lamellar and the hexagonal phases are trivial. The structure of the cubic phases was determined using a combination of freeze-fracture electron microscope and X-ray scattering experiments. The three cubic phases consist of lipid micelles of type I (oil-in-water); in two of the phases (Q ²²⁵ and Q ²²⁹) the micelles are all identical and of quasi-spherical shape. Phase Q ²²³ was previously known to contain two types of micelles, one quasi-spherical, the other slightly flattened. The radii of the micelles determined from the dimensions of the electron density troughs were consistent with the chemical data. In keeping with what is known of the micellar solutions, the size of the micelles of the cubic phases of GM1(acetyl) is compatible with a spherical shape, whereas the micelles of GM1 seem to be somewhat too large to be compatible with the length of the molecules and with a spherical shape. Such a wealth of micellar cubic phases is unusual in lipid-water systems.

Résumé
Le diagramme de phases de deux gangliosides, GM1 et GM1(acétyl), a été exploré malgré la présence d'états métastables. On a identifié les phases suivantes : dans GM1 deux phases lamellaires, une hexagonale, deux cubiques (aspects 5 et 13), une solution micellaire ; dans GM1(acetyl) deux phases cubiques (aspects 8 et 13) et une solution micellaire. La structure des phases lamellaires et hexagonale est triviale. La structure des phases cubiques a été déterminée par l'usage combiné de microscopie électronique et de diffraction des rayons X. Les trois phases cubiques sont formées de micelles de type I (huile dans l'eau) ; dans deux de ces phases (Q ²²⁵ et Q ²²⁹) les micelles sont toutes identiques et de forme presque sphérique. La phase Q ²²³ est connue ; elle est formée par deux types de micelles, les unes presque sphériques, les autres légèrement aplaties. Les rayons des micelles déterminés sur les cartes de densité électronique sont en excellent accord avec les données chimiques. Dans les deux phases cubiques la taille des micelles de GM1(acétyl) est compatible avec une forme sphérique, tandis que les micelles de GM1 semblent être un peu trop grandes par rapport à la longueur des molécules : ces observations sont en excellent accord avec ce que l'on sait sur les solutions micellaires de ces deux lipides. Cette richesse de phases cubiques micellaires est inhabituelle dans les systèmes lipide-eau.