Fondements physico

Biophysique - Biophysique des membranes
Chapitre 1 :
Fondements physico-chimiques
Professeur Alessandro VILLA
Professeur Alim Louis BENABID
MED@TICE PCEM1 - Année 2006/2007
Faculté de Médecine de Grenoble - Tous droits réservés.
BIOPHYSIQUE DES MEMBRANES CELLULAIRES
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
2. CARACTERISTIQUES DES MEMBRANES BIOLOGIQUES
3. PROPRIETES DES MILIEUX AQUEUX
4. POTENTIEL DE MEMBRANE
5. LE NEURONE
6. RECEPTEURS SENSORIELS
2
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.1. Introduction
1.1.1. Importance des phénomènes physiques
1.1.2. L'électricité c'est la Vie
1.1.3. Un lieu d'échanges
1.2. Structure atomique
1.3. Electrostatique
1.3.1. Définitions
1.3.2. Loi de conservation des charges électriques
1.3.3. Vecteur d'induction électrique
1.3.4. Principe de superposition
1.3.4. Principe de superposition
1.3.5. Champ électrique, Loi de Coulomb
1.3.6. Potentiel électrique
1.3.7. Propriétés des champs électriques
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.1. Liaison covalente
1.4.2. Liaison ionique
1.4.3. Liaison hydrogène
1.4.4. Liaison de Van der Waals
1.4.5. Forces de répulsion
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.1. Introduction
1.1.1. Importance des phénomènes physiques
STRUCTURE Ù FONCTIONS
TRANSFERTS TRANS-MEMBRANAIRES
BIO-ELECTRICITE
BIO-MAGNETISME
PHENOMENES DE SURFACE
COMMUNICATION INTER-CELLULAIRE
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.1. Introduction
1.1.2. L'électricité c'est la Vie
ELECTRICITE Ù BIOLOGIE
A. Origine biologique de l’électricité
ORGANE ELECTRIQUE DES POISSONS
← fibres musculaires lisses, aplaties: 1 à 100 Volts
B. Effets biologiques de l’électricité
STIMULUS = VOLTA
EFFETS THERAPEUTIQUES
ACCIDENTS
THEORIE CELLULAIRE
SCHWANN
CAJAL
WALDEYER
SHERRINGTON
1839
1888
1891
1897
CELLULE
CONTIGUITE NERVEUSE
NEURONES
SYNAPSES
→ COMMUNICATION INTERCELLULAIRE
→ MEMBRANE
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.1. Introduction
1.1.3. Un lieu d'échanges
La membrane cellulaire est une structure cellulaire qui met en
communication le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire
Les milieux intracellulaire et extracellulaire sont des milieux aqueux
La mb. cellulaire n’est pas une barrière !
La mb. cellulaire est une interface bidirectionnelle
La mb. cellulaire est un lieu d’échanges:
→ passage et transport de ions et molécules
→ transformation de molécules
→ transmission d’informations
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.2. Structure atomique
Les caractéristiques des atomes
→ déterminent les propriétés physico-chimiques des solutions
numéro atomique = nb. de PROTONS situés dans le NOYAU
isotope = même nb. de protons, mais nb. de NEUTRONS peut varier
Dans le modèle atomique de [Niels BOHR] on considèrait le noyau au centre d'orbites circulaires.
Elements les plus stables sont les GAZ RARES: la couche la plus externe a 8 électrons (sauf He).
orbites
2He
10Ne
18Ar
36Kr
54Xe
86Rn
K
L
M
N
O
P
2
2
2
2
2
2
8
8
8
8
8
8
18
18
18
8
18
32
8
18
8
Contact d'un atome avec un autre atome → propriétés chimiques
STRUCTURE ELECTRONIQUE DES COUCHES LES PLUS EXTERNES
si ≠ GAZ RARES → forces d'ATTRACTION → regroupement, liaisons
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.2. Structure atomique
En mécanique quantique les électrons sont placés dans des couches → niveaux d'énergie
spécifique, subdivisées en orbitales (s, p, d, f) qui comportent respectivement (1, 3, 5, 7) cases
quantiques, chacune pouvant être occupée au maximum par deux électrons ayant des spins
opposés [Wolfgang PAULI]
Contact d'un atome avec un autre atome → propriétés chimiques
STRUCTURE ELECTRONIQUE DES COUCHES LES PLUS EXTERNES
Elements les plus stables sont les GAZ RARES: toujours ns et np (sauf He)
Échelle des énergies
sous-couches
nb. cases quantiques
2He
10Ne
18Ar
36Kr
54Xe
86Rn
1s
2s 2p
3s 3p
4s 3d 4p
5s 4d 5p
1
1+3
1+3
1+5+3
1+5+3
1+7+5+3
8
8
8
8
8
8
8
8
8
18
18
32
2
2
2
2
2
2
18
18
18
6s 4f 5d 6p
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.1. Définitions
Il existe uniquement deux espèces de charges électriques,
par convention: positives et négatives.
Corps portant des charges électriques d’un même signe → se repoussent
Corps portant des charges électriques de signe contraire → s’attirent
L’électricité est de nature atomistique → toutes les charges, aussi bien positives que négatives,
sont constituées d’un grand nombre de charges élémentaires (i.e., indivisible) de même grandeur:
q = 1.6 . 10-19 [C, coulomb]
Telle est la grandeur de la charge, négative, de l’électron, de même que celle, positive, du proton.
Corps électriquement chargé : nb. charges élém. d’un signe > nb. charges élém. de l’autre signe
Corps électriquement neutre : les charges de différentes parités sont en quantités égales
Ion : atome ou molécule ayant un excès de charges électriques d’un même signe
La valence d’un ion est l’excédent de charges élémentaires qu’il contient.
Conducteurs : corps dans lesquels les particules chargées (électrons, ions) peuvent se déplacer
librement (par ex.: métaux, électrolytes, gaz ionisés).
Diélectriques : corps dans lesquels les particules chargées ne peuvent pas se déplacer librement
et leur mouvement est localisé autour de certaines positions d’équilibre.
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.2. Loi de conservation des charges électriques
Enoncé:
Dans un système fermé, quels que soient les processus qui s’y déroulent, la somme
algébrique des charges positives et négatives ne varie pas au cours du temps.
⇔
On peut modifier la charge électrique totale d’un système fermé seulement en lui
apportant de l’extérieur ou bien en lui enlevant des charges électriques.
Considérons un volume délimité par une surface fermée et un élément de surface
→
→
n
D
Loi de conservation
⇓
le flux d'induction électrique sortant
d'une surface fermée est égal à la
charge contenue dans le volume
dS
→
→
dS = n dS
dS
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.3. Vecteur d'induction électrique
→
Considérons un volume délimité par
une surface fermée et un élément de
surface dS
→
→
Cas particulier: volume = sphère
charge ponctuelle = q
⇒
→
∫ D  dS
=
sphère
⇒
→
D  4π . r2
→
Le vecteur D,
→
D=
n
dS
dS = n dS
→
D
→
sphère
dS
r
q
q
= q
q
4π
.
r2
.
→
r
r
est le vecteur d’induction électrique
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.4. Principe de superposition
L’induction du champ résultant du système de charges est égale à la
somme vectorielle des inductions créées séparément par chaque
charge en l’absence des autres charges:
–
→
→
→
D = D1 + D2 + ...
q1
+
→
D3
q2
→
D2
→
D
→
D1
+
q3
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.5. Champ électrique, Loi de Coulomb
→
Dans le vide, le vecteur E champ électrique est proportionnel au vecteur d’induction électrique:
→
1 →
. D
E=
ε0
ε0 :
permittivité électrique du vide (= 8.85 .10-12 [Farads/m])
Dans un milieu homogène (les propriétés électriques sont identiques en tout point de son
volume) et isotrope (les propriétés électriques sont identiques dans toutes les directions) :
E=
1
ε0 . ε r
.
εr :
D
Plaçons une charge électrique
q2
permittivité relative ou constante diélectrique du milieu
[sans unités] pour le vide εr=1
et mesurons la force agissant sur elle par le champ E1 généré
par une charge q1
⇒ milieu homogène et isotrope:
F = q2 . E1
F = q2 .
1
ε0 . ε r
.
q1
4π . r2
F = q1 . E2
[F] :: Newton
[E] :: (Newton / Coulomb) ou (Volts / mètre)
Loi de COULOMB: force d'attraction entre deux charges q1 et q2
F = k0
q1 . q2
εr r2
k0 : coefficient = 1 / 4πε0 (= 9 .109 [N . m2 / C2])
εr air = 1
εr eau = 80
→ dissociation → solubilité
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.6. Potentiel électrique
→
dx
B
→
A
E
Le travail W effectué par le champ électrique le long du chemin AB est :
W B
A
→
F= q
.
→
E
⇒
W B
A
=
∫
=q
B→ →
F . dx
A
∫
B→ →
E . dx
A
Principe universel de conservation de l'énergie dans un système isolé
⇓
le travail fourni par la force électrique est nécessairement
obtenu au détriment d'une autre forme d'énergie
⇒ il existe une énergie potentielle U , dont la diminution équivaut au travail fournit
W = – ΔU
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.6. Potentiel électrique
W = - ΔU
W
B
A
=q
∫
⇒
WB-WA = – (UB-UA)
B→ →
E . dx
A
q
∫
B→ →
E . dx
A
q
∫
B→ →
E . dx
A
= – (UB-UA)
= – q (VB-VA)
Par définition V est appelé le potentiel
C'est l'opposé du travail du champ électrique par unité de charge positive.
→
∫ E→ dx
.
= –V
⎯→ V
E = – grad
→
On dira que le champ électrique dérive d'un potentiel.
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.7. Propriétés des champs électriques
Une ligne de force est une courbe qui est en tout point tangente au champ électrique
• tout corps chargé est entouré d’un champ électrique qui s’étend théoriquement à l’infini
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.3. Electrostatique
1.3.7. Propriétés des champs électriques
• les champs électriques de plusieurs corps chargés forment un seul champ où il est
impossible de distinguer le champ d’une charge du champ des autres charges.
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.1. Liaison covalente
C’est une liaison entre atomes : mise en commun d' e→ completer l'orbitale externe (comme GAZ RARE)
Hydrogène: Z=1 → 1 eH2
H-H
Carbone: Z=6 → 6 e- (K2 + L4 : besoin de 4 e- pour stabiliser L)
CH4
H
⏐
H− C −H
⏐
H
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.1. Liaison covalente
LIAISON COVALENTE
Un certain nombre d'électrons appartiennent, en
commun, aux deux atomes
• recouvrement max. des orbitales
• forte
• courte distance (orbites e- )
• saturable
• orientée dans l'espace (tétrahèdre CH4 , ClO4 -, octaèdre SF6)
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.2. Liaison ionique
C’est une liaison électrostatique entre ions
ATOMES ont tendance à perdre ou gagner un ou plusieurs e- → GAZ RARE
Na
Z = 11
Na –1 e- → Na+
→ 11 e→ 10 e-
K2
L8
M1
K2
L8
M0
Z = 17
Cl
Cl + 1 e → Cl-
→ 17 e→ 18 e-
K2
L8
M7
K2
L8
M8
attraction électrostatique → molécule NaCl
HALOGENES : F Cl Br I
7 e- periph → captent 1 e- → anion (ion-)
METAUX ALCALINS : Li Na K Rb
1 e- periph → perdent 1 e- → cation+ (ion +)
(Ne)
(Ar)
Na → Na+ + e
e + 1/2 Cl2 → Cl–
Na + Cl → [Na+ Cl– ]
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.2. Liaison ionique
LIAISON IONIQUE
• obéit à la Loi de Coulomb
• grande distance
d > r1 + r 2
• symétrie sphérique non orientée
• non saturable CRISTAUX
• forte énergie (100 kcal/mole)
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.3. Liaison hydrogène
C’est une liaison entre molécules
Liaison entre:
• 1 HYDROGENE covalent à 1 atome ELECTRONEGATIF [X]
• 1 atome ELECTRONEGATIF [Y] dans une autre molécule.
R-X-H
- +
Y-R'
- +
ELECTRONEGATIVITE: Pouvoir d'attraction sur les électrons
il est max quand manque 1 e- périphérique
F (3.98) > O (3.44) > Cl (3.16) > N (3.04)
→ déplacement des e- vers le plus electronégatif.
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.3. Liaison hydrogène
Les liaisons H sont fréquentes entre
- un groupement donneur d'H comme O-H ou N=H2
- un groupement accepteur d'H comme C=O ou -O- ou =N-H
Les liaisons H mettent en jeu une fraction de la charge élémentaire :
→ énergie d’interaction relativement faible (5 kcal/mole)
Liaison Hydrogène
• appariement des bases dans l'ADN et les ARN
• structure secondaire des PR : hélices α et feuillets β
• liaisons intermoléculaires: protéines-protéines
• liaisons intermoléculaires: protéines-ADN
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.4. Liaison de Van der Waals
C’est une liaison entre dipôles: charge totale nulle, mais
présence des charges ⇒ champ électrique
⇒ forces électrostatiques van der WAALS
1.4.4.1. Dipôles permanents
molécules polaires = molécules asymétriques cG+ ≠ cGO
Groupe Acide : R − C
O −H
- +
H
Groupe Alcool : R − CH
O−H
- +
Groupe Amine : R − N -
H
+
H
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.4. Liaison de Van der Waals
1.4.4.1. Dipôles permanents
d
moment dipolaire
→
q+
qE
µ = 4.8 [Debye] si
μ = q .d
[Coulomb].[mètre]
q = 1.6 .10-19 [C] (charge élémentaire de e-) et d= 1Å ( 1Å = 10-10 [m] )
1 [Debye] = 0,33 .10-29 [C.m]
Molécule
µ Moment dipolaire
__________________________________
H2O
NH3
HCl
CO
1.84 Debye
1.5
1.03
0.12
HCl : l’atome Cl aura tendance à attirer l’électron de H
⇒ la liaison aura un caractère partiellement ionique.
µ HCl= 6.1 Debye si exclusivement ionique !!
Si la liaison était totalement ionique, la molécule serait équivalente à un dipôle
formé par deux charges +e et -e placées à la distance inter nucléaire.
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.4. Liaison de Van der Waals
1.4.4.2. Dipôles NON permanents
→
molécules symétriques (ex. Cl2, H2) mais en présence d'un champ E
⇒ déplacement de charges → DIPOLE
Molécule neutre à l’origine ⇒ moment dipolaire est dû à la distorsion
⇒ polarisation de distorsion encore appelée la polarisation induite
→
moment dipolaire M = α
→
.E
α: polarisabilité de la molécule
Les liaisons Van der Waals dépendent de la distance :
→ énergie d’interaction très faible (0.3 kcal/mole pour une distance de 30 nm)
→ très faible portée (∝1/ r7), non orientée, non saturable
Forces de van der WAALS
• condensation GAZ
• congélation LIQUIDES
• conformation 3D macromolécules biologiques
• solvatation des ions
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
1.4.5. Forces de répulsion
• électrostatique
• effet quantique
(principe de PAULI: pénétration des nuages électroniques, cases quantiques)
→ très très faible portée (∝1/r13)
(attraction, répulsion) ⇒ distance optimale (énergétiquement) entre
ATOMES
MOLECULES
1. FONDEMENTS PHYSICO-CHIMIQUES
1.4. Forces interatomiques et intermoléculaires
Tableau récapitulatif
LIAISONS
CARACTERES
FORCE
COVALENTE
ORBITE eCOMMUNE
IONIQUE
Electrostatique
(COULOMB)
++
HYDROGENE
Electrostatique
+
NEUTRES
van der WAALS
Electrostatique
Dipôles
faible
REPULSION
Electrostatique
Quantique (PAULI)
faible
+++
f()
DISTANCE
SATUR
ORIEN
COURTE
(e-)
+
+
1/r2
0
0
sym. sphér .
< Coval.
> v.d.WAALS
±
0
1/r7
0
0
0
0
GRANDE
FAIBLE
1/r13
L'ensemble de ce document relève des législations française et internationale sur le droit d'auteur
et la propriété intellectuelle. Tous les droits de reproduction de tout ou partie sont réservés pour
les textes mais aussi pour l'ensemble des documents iconographiques, photographiques, vidéos
et sonores.
Ce document est interdit à la vente ou à la location. La diffusion de ce document, sa duplication,
sa mise à disposition du public à sa demande ou non, sa mise en réseau, sa communication
publique, partielle ou totale, sous quelque forme ou support que ce soit, est formellement interdite
et strictement réservée à la Faculté de Médecine de Grenoble et à ses auteurs.
L’utilisation de ce document est strictement réservée à l’usage privé et non marchand aux fins de
représentation sur écran monoposte des étudiants inscrits à la Faculté de Médecine de Grenoble
et non destinées à une utilisation collective, gratuite ou payante.
L’utilisation de ce document à titre d’enseignement est strictement réservée à la Faculté de
Médecine de Grenoble et à ses auteurs.
Ce document a été réalisé par la Cellule TICE Médecine de la Faculté de Médecine de Grenoble.
MED@TICE PCEM1 - Année 2006/2007
Faculté de Médecine de Grenoble - Tous droits réservés.