Numéro
J. Phys. France
Volume 50, Numéro 9, mai 1989
Page(s) 1117 - 1134
DOI https://doi.org/10.1051/jphys:019890050090111700
J. Phys. France 50, 1117-1134 (1989)
DOI: 10.1051/jphys:019890050090111700

Regulation of the colloidal and phase behaviour of bioaggregates by surface polarity. Examples with lipid bilayer membranes

Gregor Cevc

Medizinische Biophysik Urologische Klinik und Poliklinik der Technischen Universität München, Ismaningerstr. 22, 8000 München 8, F.R.G.


Abstract
Data concerning the colligative and phase properties of various biomacromolecules are now quite extensive but understanding of the physical principles that govern them is still fragmentary. In particular the head-group, pH-, and salt-dependence of lipid phase transitions and fusion have, because of their potential biological implications, provoked numerous, albeit so far only partly adequate explanations. Experimental results presented in this work suggest a simple and general interpretation : the main determinant of the phase behaviour and fusing ability of lipid bilayers is the effective hydration of the lipid headgroups. This is primarily a function of the effective surface polarity and predominantly of quantum-mechanical origin. Direct effects of the net lipid charge and of hydrogen bonding between the lipid molecules are present but are smaller. A simple unified theory for the description of the thermodynamic and colloidal properties of solvated macro- and supramacromolecules is proposed. This model uses the effective interfacial hydration and electrostatic potentials as well as the ability of molecules to form mutual bonds as parameters. In combination with a perturbation theory of the phasebehaviour this model accounts nearly quantitatively for the headgroup, pH-, salt-, and hydration dependence of the phase and fusion properties of bilayers, for all common glycerophospholipids. Moreover, owing to its general character, the proposed theory provides a basis for the description of the colloidal and physicochemical properties of other biomacromolecular systems as well.


Résumé
On dispose maintenant de beaucoup de données sur les propriétés de bio-macromolécules, mais la compréhension des principes physiques qui les expliquent reste fragmentaire. En particulier, le groupe de tête, le pH et la dépendance du sel des transitions de phase lipide et de la fusion ont provoqué de nombreuses explications qui ne sont pourtant que partiellement correctes. Les résultats expérimentaux présentés dans ce travail suggèrent une interprétation simple et générale : l'explication essentielle du comportement de la phase et de la capacité de fusion de bicouches de lipides est liée à l'hydratation effective des groupes de têtes des lipides. Ceci est avant tout une fonction de la polarité effective en surface et, essentiellement, d'origine quantique. Les effets directs dus à la charge des lipides et des liaisons hydrogène entre molécules de lipides sont également présents, mais sont petits. On propose une théorie simple de la description des propriétés thermodynamiques et colloïdales des macromolécules et supramolécules solvatées. Ce modèle utilise, comme paramètres, l'hydratation interfaciale effective et les potentiels électrostatiques, ainsi que la capacité des molécules à former des liaisons entre elles. En le combinant avec une théorie de perturbation du comportement de la phase, ce modèle décrit de manière presque quantitative les propriétés de la phase et de la fusion des bicouches pour tous les glycérophospholipides courants en fonction du groupe de tête, du pH, de la concentration en sel et de l'hydratation. En outre, à cause de son caractère général, la théorie proposée foumit aussi une base pour la description des propriétés colloïdales et physicochimiques d'autres systèmes biomacromoléculaires.

PACS
8716D - Membranes, bilayers, and vesicles.
8270D - Colloids.

Key words
colloids -- hydrogen bonds -- lipid bilayers -- perturbation theory -- phase transformations