Translational molecular diffusion in phospholipid monolayers : substrate coupling and phase transitions

Abstract
The results of an investigation of the phases of a monolayer of the phospholipid dipalmitoylphosphatidylcholine, deposited by Langmuir-Blodgett techniques onto hydrocarbon-derivatized silicon substrates, are described Measurements of the long-range translational diffusion of fluorescent lipid analogs in such monolayers reveal the presence of a phase transition not previously seen in phospholipids. It is marked by a large increase of lipid mobility at a temperature characteristic of the employed combination of lipid and substrate-attached hydrocarbon residue. A second transition into a high temperature phase, characterized by a rapid, homogeneous diffusivity, is observed at a temperature slightly above the temperature of the so-called chain melting transition in hydrated multi-bilayers of the lipid. In the novel intermediate state between the two transitions, long-range translational diffusion in the uniformly fluorescent monolayers is best described in a manner analogous to transport in composite materials. Lipid analogs containing a fluorophore in the polar headgroup portion of the molecule sample coexisting populations of host lipid whose diffusivities differ by as much as an order of magnitude in this temperature range. A chain labelled lipid analog is found to exhibit completely different behaviour, remaining largely immobile on the scale of the experimental observation times at temperatures below 43 °C. In samples cycled through the high temperature phase, this label exhibits increased mobilities at lower temperatures for several hours before returning to its original state. The measured diffusivities are compared with corresponding values obtained for monolayers spread at the air-water interface for which the average density is fixed, and also with available data for hydrated multibilayers. In natural bilayer membranes the two monolayer leaflets are generally not identical. They thus exhibit the same type of asymmetry as the one inherent in the system described here.

Résumé
Nous donnons les résultats d'une étude des phases de monocouches de la lécithine dipalmitoyl. Celles-ci sont déposées, par la technique de Langmuir-Blodgett, sur un substrat siliconé ponté de chaînes hydrocarbonées. Les mesures du coefficient de diffusion translationnel d'un analogue lipidique fluorescent mettent en évidence une transition de phase jusqu'ici non observée. Cette transition implique une augmentation notable de la mobilité lipidique du système considéré. Une seconde transition caractérisée par une rapide diffusion homogène (D ≽ 5 x 10-8 cm2/s) est observée pour une température supérieure à celle de la transition pour multicouches en smectique A. Le domaine de diffusion translationnelle ainsi mis en évidence est décrit par analogie au transport de masse dans un matériau hétérogène. Dans cette gamme de température, l'analogue lipidique, porteur du fluorophore sur sa portion polaire, discrimine deux populations de la couche hôte. Leurs coefficients de diffusion diffèrent d'un ordre de grandeur. Pourtant un analogue lipidique marqué sur la chaîne se trouve être pratiquement immobile dans l'échelle de temps d'expérimentation et pour des températures au-dessous de 43 °C. Dans le cas d'échantillons portés à hautes températures, puis refroidis, ces lipides marqués conservent une mobilité importante pour des températures basses et cela durant plusieurs heures avant de rétablir leur état diffusif initial. De plus, les mesures du coefficient de diffusion sont comparées à celles obtenues pour des monocouches à une interface air-eau de densité donnée ainsi qu'à celles de multicouches hydratées. Dans le cas de membranes naturelles à constituants essentiellement lipidiques, les deux hémimembranes sont typiquement non identiques et, devraient aussi générer la même asymétrie que celle décrite dans cette étude.