1 INTRODUCTION
Les membranes bicouches phospholipidiques (BLM) représentent un système modèle utile pour examiner les aspects fondamentaux des composants bicouches lipidiques des membranes cellulaires biologiques et, en particulier, pour étudier leurs propriétés élastiques. Ce sont des structures auto-assemblées de molécules amphipatiques dont les caractéristiques physiques sont très proches de celles des cristaux liquides smectiques. La matrice bicouche lipidique est capable d’incorporer des molécules hydrophobes et amphipatiques comme des protéines, d’autres lipides, des peptides, des stéroïdes et des cosurfactants. Les propriétés élastiques des membranes lipidiques considérées comme des milieux continus ont été utilisées dans une variété d’études allant des phénomènes locaux, tels que les interactions lipide-lipide, lipide-protéine et protéine-protéine, aux fluctuations de forme des cellules entières. En outre, la nature hydrocarbonée liquide de la bicouche est maintenue par des interactions intermoléculaires entre les phospholipides à l’échelle nanoscopique : interactions électrostatiques et dipôle-dipôle entre les groupes de tête polaires , interactions médiées par les molécules d’eau , et interactions de dispersion de van der Waals entre les chaînes hydrocarbonées .
Les surfaces d’un BLM ne sont ni parfaitement planes ni rigides . Le système BLM est une structure flexible quasi bidimensionnelle qui subit continuellement une variété de transitions conformationnelles et dynamiques . En outre, les BLM artificiels et naturels ne sont pas des systèmes isolants, mais perméables à l’eau et aux électrolytes qui diffusent à travers par une diversité de pores transmembranaires.
Les pores transmembranaires tochastiques sont générés par l’un ou l’autre des mécanismes suivants : fluctuations thermiques aléatoires et biaisées (thermoporation), et déclenchement électrique (électroporation). Les molécules lipidiques à l’intérieur des BLM suivent trois catégories distinctes de mouvements thermiques aléatoires : des translations latérales, parallèles à la surface de la bicouche, avec un coefficient de diffusion latérale de l’ordre de 10-7 m2s-1 (Dl), des oscillations et des rotations autour des axes lipidiques perpendiculaires à la surface de la bicouche.
Les translations latérales avec des directions aléatoires induisent des fluctuations locales de la densité des groupes polaires lipidiques à la surface des bicouches. Par conséquent, un instantané de la surface de la bicouche révèle des domaines locaux de dimension nanoscopique avec une densité plus élevée de groupes de tête polaires (c’est-à-dire des clusters) ainsi que des zones avec une densité plus faible. Pour certaines conditions physiques de la bicouche (pH, température, composants lipidiques, potentiel électrochimique, etc.), ces dernières zones représentent de petits défauts locaux (c’est-à-dire des lacunes) de la membrane. Dans ces domaines, les molécules d’eau peuvent pénétrer la matrice hydrophobe de la bicouche. Considérons le cas de deux défauts indépendants de chaque monocouche qui sont alignés dans une direction perpendiculaire sur la surface de la membrane. Ils peuvent générer un pore hydrophobe cylindrique dont la surface interne est flanquée par les chaînes hydrophobes des lipides. Ces types de pores transitoires sont donc de nature hydrophobe. Il est également possible que les groupes de tête polaires, situés à proximité d’un pore hydrophobe, obéissent à des rotations vers son intérieur. Dans ce cas, la surface hydrophobe interne des pores sera recouverte de groupes de tête polaires. Ainsi, ces pores ont une nature hydrophile, n’ont plus une géométrie cylindrique et sont plus stables que les pores hydrophobes. En d’autres termes, les fluctuations thermiques aléatoires de la densité des headgroups polaires dans les deux monocouches de BLM sont capables de générer des pores transmembranaires stochastiques.
La présence de fluctuations d’épaisseur hydrophobes à l’intérieur de BLM a été démontrée à la fois par la théorie et par l’expérience. Ceci a été réalisé en déterminant les valeurs de l’épaisseur de la bicouche (h) à partir de trois procédures indépendantes : mesures de capacité électrique (hc) , mesures de réflectance optique (hr) , et calcul direct (hav). Tanford (1980) a calculé l’épaisseur de la bicouche en utilisant la formule suivante : hav = Nl M/ρ, où Nl, M et ρ sont respectivement le nombre de lipides par unité de surface, le poids moléculaire des chaînes hydrophobes et la densité de la zone hydrophobe. En raison des « fluctuations d’épaisseur » des régions hydrophobes, hc devrait être égal à hav, alors que, dans ce cas, les deux devraient être inférieurs à hr de l’épaisseur de la couche polaire (htp) : hc ≅ hav = hr-htp. Si la bicouche lipidique avait une épaisseur uniforme, alors hc devrait être égal à hav. Dans le cas de BLM composée par un mélange binaire de lipides, une association sélective entre les phospholipides a lieu suite à l’apparition de domaines phospholipidiques. Leur épaisseur dépend de la longueur de la chaîne hydrocarbonée des composants lipidiques . Popescu et al. (1991) ont démontré l’apparition de pores stochastiques dans les BLM en raison des fluctuations de l’épaisseur de la bicouche. La hauteur de la barrière énergétique pour la perforation de la membrane suivant un tel mécanisme est cependant importante (environ 91 kT, où k et T sont respectivement la constante de Boltzmann et la température absolue). Dans ce cas, le profil géométrique du pore est de forme elliptique toroïdale. Il a également été démontré qu’un tel pore transmembranaire pouvait évoluer vers un état stable. Les résultats obtenus par ce modèle étaient assez surprenants, en raison de l’échelle de temps rapide pour la fermeture des pores statistiques dans les membranes. Deux ans plus tard, Zhelev et Needham (1993) ont créé de grands pores quasi-stables dans des vésicules bicouches lipidiques, confirmant ainsi la prédiction du modèle précédent. La résistance de la membrane à la rupture en termes de tension linéaire pour un grand pore dans les vésicules bicouches a été calculée par Moroz et Nelson (1997) .
Les pores transmembranaires tochastiques peuvent également être formés par un mouvement thermique biaisé des lipides . Ce mécanisme est parfois appelé thermoporation. Les pores apparaissent dans la membrane via un processus d’activation induit thermiquement. Le processus d’activation pour la formation des pores peut également être induit par un champ électrique externe (également appelé électroporation). Le pore généré par électroporation est plus grand et plus stable. Le mécanisme d’électroporation a été proposé pour la délivrance de médicaments et de gènes aux cellules et aux tissus .
Les pores protéiques transmembranaires sont formés par des systèmes protéiques couvrant une large gamme de petits canaux peptidiques (par exemple, gramicidine, alaméthicine, mélittine, etc.) à de grands canaux assemblés multimériques protéiques. Comme ces pores sont larges et remplis d’eau, les substances hydrophiles, y compris les ions, peuvent diffuser à travers eux, dissipant ainsi le potentiel électrique de la membrane. Les pores protéiques transmembranaires sont constitués de protéines intégrales appartenant à deux grandes classes structurelles : (1) les canaux sélectifs formés par des structures a-hélicoïdales transmembranaires en faisceau, et (2) les canaux sélectifs, les pores et les porines formés par des structures monomères (par exemple, OmpG), dimères (par exemple, les canaux sélectifs Cl-), trimères (par exemple, OmpF) ou multimères transmembranaires en barillet ß (par exemple, α-hémolysine, leucocidines, cytolysines). La bicouche lipidique peut être utilisée comme système in vitro pour étudier ces canaux protéiques lorsqu’ils sont reconstitués en une membrane fonctionnelle . En outre, les BLM peuvent être utilisés comme un outil pour l’ingénierie des protéines membranaires et ses applications soit en biophysique de la molécule unique, soit dans le domaine biotechnologique .
Dans un autre exemple, la colicine Ia, une protéine sécrétée par Escherichia coli, forme des canaux ioniques voltage-dépendants à la fois dans la membrane interne des bactéries cibles et dans les BLM planaires . La colicine Ia est un transporteur membranaire appartenant à la classe des toxines bactériennes qui partagent la même stratégie : elles s’insèrent dans la membrane de l’autre bactérie en compétition avec le nutriment, générant ainsi des pores de grandes dimensions. En conséquence, ces pores vont endommager le potentiel électrochimique de la membrane et, finalement, provoquer la mort de ces bactéries concurrentes. Par rapport aux pores stochastiques mentionnés ci-dessus, les pores protéiques ont un mécanisme de formation différent et des propriétés différentes. Alors qu’un pore stochastique « oublie » son mécanisme de génération, certains des pores protéiques transmembranaires (par exemple la colicine Ia) semblent présenter des effets de « mémoire », du moins sous l’influence d’une séquence spécifique d’impulsions utilisée pour la stimulation électrique BLM .
Des pores génétiques ont été rencontrés dans la paroi de vaisseaux sinusoïdes du foie de mammifères. Les cellules endothéliales de ces vaisseaux présentent de nombreux pores en forme de plaques criblées . Ces pores d’environ 0,1 μm de diamètre permettent le passage d’une partie du plasma sanguin et des chylomicrons de l’espace sinusoïdal vers l’espace de Disse. Par conséquent, les pores endothéliaux contrôlent l’échange de fluides, de solutés et de particules entre le sang sinusoïdal et l’espace de Disse .
Dans ce travail, nous avons utilisé la théorie de l’élasticité des milieux continus pour décrire l’apparition de pores stochastiques à travers des BLM planaires.