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. 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