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 Voyage au coeur de la membrane

On sait que la membrane plasmique (appelée aussi plasmalemme) contrôle les échanges de la cellule. Au sein même de la cellule, des compartiments séparés, limités par des membranes de nature similaire, sont le siège des multiples réactions chimiques qui caractérisent le vivant. Mais de quoi sont faites ces membranes ? Avec un microscope à lumière, la membrane n'est pas visible en raison de sa faible épaisseur, 7 à 8 nanomètres (1 mm = 1 million de nm). Elle ne doit pas être confondue avec la paroi épaisse placée autour des cellules végétales. Cette dernière est une production inerte, extérieure à la cellule, et qui n'existe pas chez les animaux. Si un modèle nous a permis de comprendre certaines propriétés de cette membrane invisible, un autre modèle va nous permettre aujourd'hui de connaître les principes de son architecture.

Dès 1892, en Suisse, Otto Bütschli mélangea des graisses, de l'eau et des sels et obtint des vésicules microscopiques qui, observées au microscope, ressemblaient étrangement aux cellules et en présentaient même certains comportements (mouvements, bourgeonnement). C'est probablement l'aspect des émulsions utilisées par son père, pâtissier, qui lui en donna l'idée. Celle-ci n'était pas dénuée de fondement car nous savons maintenant que les membranes biologiques sont d'une structure très complexe mais que la base de cette structure est liée aux propriétés physicochimiques des molécules qui les constituent, notamment au comportement des graisses dans l'eau. Les molécules de graisse (les lipides) présentent deux parties : une longue "queue" hydrophobe, c'est à dire non miscible à l'eau, et une "tête" hydrophile, c'est à dire capable de se lier aux molécules d'eau. Lorsque des lipides sont mis dans l'eau, les têtes ont tendance à se lier à l'eau tandis que les queues sont repoussées par l'eau ce qui a pour effet de former des petites gouttelettes graisseuses refermées sur elles-mêmes (des micelles) et présentant à l'eau uniquement leur partie polaire (hydrophile). C'est une émulsion comme dans une vinaigrette obtenue lorsqu'on mélange du vinaigre (90 % d'eau) avec de l'huile.

Les membranes biologiques sont construites sur un principe similaire : elles comportent deux couches de lipides dont les queues hydrophobes se font face en raison de leur affinité réciproque et dont les têtes sont dirigées vers l'eau, principal constituant des cellules et du milieu extracellulaire. Cet édifice est maintenu par des liaisons chimiques dites faibles (les forces de Van der Waals) pour les différencier des liaisons fortes qui existent entre les atomes d'une même molécule (liaisons covalentes). Ces forces assurent une cohésion suffisante de l'édifice si la surface est importante et que ses molécules sont régulièrement alignées les unes contre les autres, comme c'est le cas dans les membranes. De plus, des protéines sont enchâssées dans la double couche lipidique et contribuent non seulement à sa solidité, mais surtout remplissent des fonctions essentielles (échanges et communications). La charpente des membranes cellulaires est donc une construction supramoléculaire de lipides dont les molécules sont régulièrement orientées ce qui lui assure à la fois cohésion et souplesse. Leur architecture est conditionnée par les lois qui gouvernent le comportement des molécules lipidiques dans un environnement aqueux. Ainsi apparaît une nouvelle fois le fait que les processus vitaux obéissent aux lois physicochimiques : on comprend les réticences des partisans du vitalisme lorsque, progressivement, cette idée s'est imposée de plus en plus fortement.

Lorsqu'on dépose une goutte d'huile à la surface de l'eau, les têtes hydrophiles des lipides se lient avec l'eau tandis que leurs queues se dressent dans l'air. Il se forme ainsi une couche dont l'épaisseur est égale à celle d'une seule molécule pour peu que la surface offerte soit suffisante (couche monomoléculaire).

John William Strutt (1842-1919), lord Rayleigh, s'intéressa à cette question. Comme d'autres personnages évoqués dans ces articles, il travailla sur de multiples sujets allant de l'optique à l'électricité en passant par les mathématiques et le magnétisme. Le secret de son extraordinaire productivité (446 publications) : "le plaisir qu'il avait pris à devenir physicien" affirma-t-il. Nous allons utiliser la méthode simple et élégante avec laquelle il put mesurer l'épaisseur de la couche monomoléculaire et donc la longueur d'une molécule lipidique. Nous aurons ainsi une idée plus précise de l'incroyable finesse des membranes cellulaires.



L’EXPÉRIENCE

MESURER DES MOLECULES

Matériel nécessaire

Soufre en poudre ("fleur de soufre" que l'on trouve chez les droguistes), une cuvette d'une trentaine de cm de diamètre au minimum, un double décimètre, un petit récipient (flacon de médicament) avec un couvercle étanche en plastique percé de trois ou quatre trous avec une épingle à nourrice chauffée à la flamme (ou une salière), un peu d'huile de Tournesol dans un petit récipient, une épingle, essuie-tout, alcool à brûler, calculette.

Mode opératoire

Mettre du soufre dans la salière. Bien laver la cuvette et la rincer le mieux possible (une trace de détergent ou de doigt ferait échouer l'expérience). L'essuyer avec un chiffon propre puis la nettoyer avec un essuie-tout imprégné d'alcool à brûler pour éliminer toute trace de graisse. La remplir d'eau et saupoudrer la surface avec du soufre, de manière régulière, en en mettant peu : il doit se présenter comme des grains de poussière flottant à la surface de l'eau (voir figure 1).

FIGURE 1 

Tremper la pointe de l'épingle dans l'huile (sur 3 mm de profondeur) et l'essorer sur le bord du récipient à huile : l'huile forme un dépôt quasi invisible sur la pointe de l'épingle. Poser alors la pointe sur l'eau, au milieu de la cuvette. Immédiatement, les particules de soufre sont chassées vers la périphérie par le film d'huile qui s'étale à la surface de l'eau (voir figure 2).

FIGURE 2 

Mesurer tout de suite le diamètre du disque avant qu'il ne s'abîme.
Maintenant, à vos calculettes !

Si on connaît le volume V d'huile déposé et la surface S occupée par le film, alors on peut déduire la hauteur h du film, égale à la longueur d'une molécule. Le film étant un disque, sa surface est :

S = 3,14 x r², son volume V = S x h où h est l'épaisseur du film monomoléculaire à trouver.

 h =     V
       3,14 x r²

Avec la méthode employée, on peut évaluer le volume d'huile déposé à 0,05 mm3. La moyenne des mesures que j'ai réalisées donne un diamètre du disque de 19 cm soit r = 95 mm. La longueur des molécules est alors de :

h (en mm)  =  0,05           =  0,05/28 352,8
                     3,14 x 95²

soit environ 1,8 nm (1 nm = 0,000001 mm) ce qui correspond assez bien à leur longueur réelle.

Ne pas oublier pour faire les calculs d'utiliser des unités homogènes. Le plus pratique est de tout mettre en mm, mm2, mm3.

Toutefois, si le modèle sur lequel sont faites les mesures permet d'évaluer avec une précision convenable la longueur moyenne des molécules de lipides de l'huile il faut signaler ses limitations par rapport aux membranes biologiques. D'abord, dans les membranes, les lipides sont organisés en deux couches parallèles au sein desquelles se trouvent des protéines. De plus, les lipides qui entrent dans la composition des membranes sont différents de ceux qu'on trouve dans l'huile. Enfin, l'huile que nous utilisons dans l'expérience est un mélange de différents lipides et le résultat obtenu est donc une longueur moyenne. Pour toutes ces raisons, l'épaisseur des membranes biologiques, 7,5 nm, est plus grande que celle déduite de notre modèle. Celui-ci n'en reste pas moins une représentation commode des principes de son architecture et une méthode simple d'évaluation de la taille des molécules qui la constituent.

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