Chapitre 8
Condensation des polymères
greffés sur une biomembrane.
Dans ce chapitre, qui constitue notre
cinquième contribution originale, nous présentons une
vue large sur le phénomène de ségrégation entre les
phospholipides et des chaînes de polymère greffées sur une
membrane en bicouche.
En particulier, nous discutons l'influence de la
qualité du solvant et la poly-dispersité des chaînes de
polymère greffées sur le comportement de phase critique du
mélange. Nous rappelons que la qualité du solvant apparaît
à travers l'expression générale de l'énergie libre
du mélange, qui nous permettra la détermination du diagramme de
phase relatif à l'agrégation des chaînes de polymère
ancrées.
Pour plus de détails, le lecteur pourra
consulter la Réf. [1].
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greffés sur une biomembrane. 170
8.1 Introduction.
Les membranes biologiques sont d'une importance
cruciale pour la vie, parce qu'elles séparent la cellule de son
environnement extérieur, et les compartiments à
l'intérieur de la cellule, afin de protéger les processus
importants et des événements spécifiques.
Aujourd'hui, il est largement reconnu que les
biomembranes se présentent sous forme d'une bicouche lipidique,
composée de deux feuillets adjacents [2,
3], qui sont formés de molécules amphiphiles
possédant des têtes polaires hydrophiles, attachées
chimiquement à des chaînes d'acides gras hydrophobes. La
majorité des molécules de lipide sont des phospholipides. Ceux-ci
ont un groupe polaire et deux queues hydrocarbonées non-polaires, dont
la longueur est de l'ordre de 5nm.
En plus, les membranes cellulaires incorporent un
autre type de lipides, qui est le cholestérol [2,
3]. Les molécules de cholestérol ont plusieurs
fonctions dans la membrane. Par exemple, ils donnent la rigidité ou la
stabilité de la membrane cellulaire, et évitent la
cristallisation des hydrocarbures.
Les biomembranes contiennent, également, des
glycolipides (résidus de sucre), qui sont des molécules
lipidiques s'agrégeant dans la membrane. Certains types de
molécules sont limités par des sphingolipides, des toxines du
choléra et du tétanos. Les sphingolipides et le
cholestérol favorisent l'agrégation des protéines dans des
microdomaines, appelés râteaux ou rafts. En
fait, ceux-ci jouent le rôle de plates-formes pour la fixation de
protéines sur les membranes, et jouent un rôle dans la
transduction du signal.
Les protéines (macromolécules
géantes) sont une autre composante principale des
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membranes cellulaires. Les protéines
transmembranaires sont amphipathiques et formées par des régions
hydrophobes et hydrophiles ayant la même orientation que les autres
molécules lipidiques. Ces protéines sont aussi appelées
protéines intrinsèques. Elles ont la fonction de transporter des
substances à travers la membrane, comme les ions et les
macromolécules. Il existe d'autres types de protéines, qui
peuvent être attachées à la surface par des chaînes
d'acides gras ou à la surface cellulaire externe. Ce sont les
protéines membranaires périphériques, qui ont de
nombreuses fonctions. En fait, ils protègent la surface de la membrane,
régulent la signalisation cellulaire et participent à de nombreux
autres événements cellulaires importants. En outre, certaines
protéines membranaires périphériques ont tendance à
se lier aux membranes électrostatiquement chargées
négativement, sur le feuillet interne de la membrane
plasmique.
Notons que la majorité des
macromolécules formant la bicouche sont tout simplement ancrées
sur la membrane et forment une brosse de polymères ramifiés
[4, 5]
.
Nous nous intéressons aux polymères
greffés sur des interfaces molles, comme les liposomes [6
- 9]. Ces matériaux souples ont
été fabriqués volontairement par A. Bangham, en
1968. Actuellement, ils sont devenus des objets de grand
intérêt en biologie, biochimie et particulièrement en
médecine, pour leur rôle comme agents de transport de
médicaments. Les liposomes sont des vésicules artificielles de
forme sphérique, qui peuvent être produites à partir de
phospholipides naturels et de cholestérol, mais les bicouches lipidiques
qui constituent ces vésicules ont une durée de vie courte, en
raison de leur faible stabilité et aussi suite à leur
extermination dans le sang par les globules blancs. Pour avoir des
vésicules plus stables, un moyen utile
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consiste à les protéger en les enrobant
d'une couche de polymères flexibles (la taille de pelage est de l'ordre
de 50nm [2]) qui empêche
l'adhérence de protéines [7,
8]. En fait, ces chaînes de polymère stabilisent
les liposomes, en raison des forces de volume exclu entre monomères
[9]. Les liposomes peuvent être, également,
synthétisés à partir des copolymères en dibloc,
dans un solvant sélectif qui préfère être
contacté par le polymère préféré. Les
chaînes de polymère hydrophobes s'agrègent pour
former une bicouche mince, tandis que les chaînes de polymères
hydrophiles flottent dans le solvant. Naturellement, ces liposomes de
copolymère ont des propriétés légèrement
différentes, en comparaison avec ceux à base de lipides
[10] (une grande résistance, forte rigidité et
faible perméabilité à l'eau). Selon le choix des
copolymères, ces liposomes résistent aux détergents
[11].
Le greffage des polymères sur des membranes
lipidiques a été considéré dans un travail
récent [12]. Le but était l'étude de la
séparation de phase entre les phospholipides et des polymères
ancrés. Comme hypothèse, le milieu aqueux est supposé
être un bon solvant, et en plus, les chaînes de polymère
sont ancrées à l'interface par une seule extrémité
(ancres). Les ancres sont des grandes molécules amphiphiles
chimiquement différentes des molécules de phospholipide. Dans ce
chapitre, nous supposons que les chaînes de polymère peuvent
être adsorbées à la membrane par plus d'une
extrémité (polydispersité), et le liquide support peut
être un bon solvant ou un solvant thêta. Comme nous le verrons
ci-dessous, la polydispersité et la qualité du solvant affectent
considérablement le comportement de phase du mélange. Par
changement d'un paramètre approprié, comme la température,
les phospholipides et les chaînes de polymère ancrées se
séparent en domaines macroscopiques, alternativement riches en ces deux
composantes. Pour la détermination de l'architecture
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du diagramme de phase, nous élaborons un
modèle théorique, qui prend en compte à la fois de la
polydispersité et la qualité du solvant. Nous déterminons,
d'abord, l'expression de l'énergie libre du mélange de
phospholipides et d'ancres, ensuite, nous déterminons la forme du
diagramme de phase, et enfin, calculons le facteur de structure associé,
comme fonction du vecteur d'onde de transfert et des paramètres
pertinents du problème.
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