upright=1.33|vignette|Représentation d'une bicouche lipidique constituée de phosphoglycérides.
Une bicouche lipidique, ou double couche lipidique, est une fine membrane polaire constituée de deux feuillets de molécules de lipides. Ces membranes forment une barrière continue autour des cellules et sont un élément essentiel assurant leur homéostasie, en régulant la diffusion des ions et des molécules à travers elle. La membrane cellulaire de presque tous les organismes vivants et de nombreux virus est constituée d'une bicouche lipidique, de même que les membranes entourant le noyau cellulaire et les organites. Les bicouches lipidiques sont imperméables aux molécules hydrophiles et surtout aux ions, ce qui permet aux cellules de réguler notamment le pH et la salinité de leur cytosol à l'aide de protéines transmembranaires assurant une fonction de transporteur membranaire susceptible de générer et d'entretenir un gradient de concentration de diverses espèces chimiques entre le cytoplasme et le milieu extracellulaire.
Les membranes biologiques sont constituées principalement de phospholipides, dont les molécules, amphiphiles, comprennent une tête polaire et deux queues aliphatiques. Ces molécules, lorsqu'elles se trouvent en milieu aqueux, s'organisent de façon à minimiser les interactions entre les queues aliphatiques et les molécules d'eau, adoptant par auto-assemblage moléculaire une configuration en micelles, liposomes, vésicules ou doubles couches lipidiques, dans lesquelles les têtes polaires sont en contact avec l'eau tandis que les queues aliphatiques se rassemblent pour former un milieu presque totalement anhydre. Les bicouches lipidiques étant très fines et très fragiles, leur étude est délicate et requiert des techniques avancées de microscopie électronique et de microscopie à force atomique.
La nature et la configuration des groupes présents sur les têtes hydrophiles des bicouches lipidiques détermine les propriétés chimiques de leur surface. Certains motifs moléculaires sont par exemple susceptibles d'identifier une cellule en vue de son élimination par le système immunitaire. La nature des queues aliphatiques conditionne quant à elle les propriétés physiques de la membrane, notamment sa température de fusion : plus les queues sont longues et linéaires, plus elles tendent à figer en formant un cristal bidimensionnel de molécules de lipides ordonnées ; les interactions entre molécules à l'intérieur de la bicouche lipidique déterminent également les propriétés mécaniques de la membrane, notamment sa résistance à l'étirement et à la flexion. Ces propriétés sont très souvent étudiées en laboratoire à l'aide de modèles artificiels de bicouches lipidiques dont on maîtrise certains paramètres.
Les membranes biologiques contiennent généralement d'autres lipides que des phospholipides. Ainsi, le taux de cholestérol des membranes cellulaires animales est un paramètre important qui détermine les propriétés physicochimiques de ces membranes, notamment en augmentant leur résistance et leur imperméabilité. Le cholestérol contribue également à réguler l'activité de certaines protéines membranaires intégrales, qui fonctionnent lorsqu'elles sont intégrées à une membrane biologique, certaines d'entre elles étant par exemple impliquées dans de nombreux processus de fusion des bicouches, comme dans le cas de la fécondation d'un ovule par un spermatozoïde ou de l'entrée d'un virus dans une cellule.
Structure
vignette| Profil d'hydratation typique d'une bicouche de phosphatidylcholines. vignette|Coupe transversale d'un Bacillus subtilis laissant apparaître les polysaccharides attachés au feuillet externe. vignette|MET d'une vésicule montrant la structure membranaire en double couche.
Coupe transversale d'une membrane biologique
Une bicouche lipidique est une structure très fine en comparaison de son étendue. Le diamètre d'une cellule de mammifère est typiquement d'une dizaine de micromètres () tandis que l'épaisseur d'une membrane plasmique est de l'ordre de quelques nanomètres (). La coupe transversale d'une bicouche lipidique montre plusieurs régions bien différenciées, dont les propriétés spécifiques et les interactions avec l'environnement sont étudiées à l'aide notamment de techniques de réflectivité des rayons X, de et de résonance magnétique nucléaire.
La région extérieure sur chaque face de la bicouche lipidique est constituée par les têtes hydrophiles des lipides. Cette région est entièrement hydratée et mesure environ d'épaisseur. Le groupe phosphate des phospholipides se trouve dans cette région, environ à l'extérieur du cœur hydrophobe . Dans certains cas, la région hydratée peut s'étendre bien davantage, par exemple lorsque des protéines ou des glucides sont liés aux têtes hydrophiles. C'est par exemple le cas de la couche de lipopolysaccharide qui recouvre la membrane externe de certaines bactéries., contribuant à maintenir une couche hydratée autour de ce microorganisme et donc à prévenir sa déshydratation.
Immédiatement en dessous de la région hydratée, entre celle-ci et le cœur hydrophobe, se trouve une zone intermédiaire d'environ d'épaisseur et partiellement hydratée. À travers cette région, la concentration molaire en eau passe d'environ côté hydrophile à presque zéro côté hydrophobe . La région hydrophobe est épaisse d'environ , mais cette valeur dépend largement de la nature des molécules de lipides qui la constituent ainsi que de la température, notamment autour de la transition de phase (température de fusion de la membrane) .
Composition asymétrique des feuillets interne et externe
La composition des feuillets interne et externe est différente dans de nombreuses bicouches lipidiques naturelles. Les feuillets internes (cytoplasmiques) des hématies humaines (globules rouges du sang) sont essentiellement constitués de phosphatidyléthanolamine, de phosphatidylsérine, de phosphatidylinositol et de phosphoinositides. Les feuillets externes, quant à eux, sont constitués essentiellement de phosphatidylcholine, de sphingomyéline et de glycolipides . Dans certains cas, cette asymétrie provient de l'endroit où les lipides sont produits dans la cellule et reflète leur orientation initiale . La signification biologique de l'asymétrie de la composition lipidique des membranes biologiques n'est pas entièrement comprise, mais il est clair qu'elle intervient dans de nombreux processus biologiques. Ainsi, lors de l'apoptose, la phosphatidylsérine du feuillet intérieur passe dans le feuillet extérieur, où elle est reconnue par des macrophages, qui l'éliminent.
Cette asymétrie résulte, au moins en partie, du fait que la plupart des lipides sont produits et insérés dans le feuillet interne des bicouches lipidiques. Certains sont ensuite transférés dans le feuillet externe (mouvement rare appelé flip-flop) sous l'effet d'un type d'enzymes spécifiques appelées floppases . D'autres lipides, tels que la sphingomyéline, semblent en revanche être produits dans le feuillet extérieur.
Outre les flopases, il existe d'autres enzymes de transfert de lipides entre feuillets d'une bicouche lipidique : les flippases, qui transfèrent certains lipides depuis le feuillet externe vers le feuillet interne, et les scramblases, qui les transfèrent dans les deux sens de façon aléatoire, comme dans le cas de la phosphatidylsérine lors d'un processus d'apoptose. Cependant, l'asymétrie dans la composition lipidique des deux feuillets d'une membrane cellulaire ne se dissipe normalement pas rapidement car les bascules spontanées de lipides d'un feuillet à l'autre sont des événements extrêmement rares .
Il est possible de reproduire une telle asymétrie en laboratoire lors de la réalisation de modèles synthétiques de bicouches lipidiques. Certains types de très petites vésicules synthétiques deviennent spontanément asymétriques, mais le mécanisme qui produit cette asymétrie est très différent de celui à l'œuvre dans les membranes biologiques . On peut également produire des bicouches synthétiques à composition lipidique asymétrique en superposant deux monocouches de Langmuir-Blodgett ou en fusionnant les feuillets d'une vésicule et d'une couche de Langmuir-Blodgett . Cette asymétrie peut cependant s'estomper au fil du temps dans la mesure où les lipides de ces bicouches tendent à basculer d'un feuillet à l'autre, ce qui homogénéise leur composition .
upright=1.33|vignette| Représentation de l'effet des phospholipides à acides gras mono-insaturés (en bleu) lorsqu'ils sont insérés dans une bicouche lipidique autrement constituée de lipides à acides gras saturés (en noir) : l'empilement des phospholipides est moins régulier, abaissant le point de fusion de la membrane et augmentant sa perméabilité aux ions et aux molécules de petite taille. vignette|Cholestérol.
Propriétés physiques et transitions de phase
Tous les lipides ont une température caractéristique de transition de phase appelée fusion à laquelle ils passent de l'état de gel à l'état liquide. Les membranes biologiques possèdent également une température de fusion qui dépend de leur composition en lipides : une membrane gelée est constituée de molécules qui ne diffusent pratiquement pas, tandis qu'une membrane liquide est constituée de molécules qui diffusent au sein de leur feuille de la bicouche lipidique en échangeant leur position avec une molécule voisine plusieurs millions de fois par seconde ; dans les deux cas, les diffusions transversales (bascules) d'un feuillet à l'autre demeurent très rares..
La présence de mouvements au sein des membranes est due à l'absence de liaisons covalentes. Les propriétés physiques des phases des bicouches lipidiques sont largement déterminées par les forces de van der Waals et les interactions hydrophobes entre molécules lipidiques adjacentesLe modèle du film étirable, en adhérant aux plats, reproduit ces forces., et ces forces s'exercent essentiellement entre les queues hydrophobes des lipides. Plus ces queues hydrophobes sont longues, plus elles offrent de possibilités d'interactions avec les molécules voisines dans leur feuillet de la bicouche, ce qui diminue la fluidité de la membrane et élève son point de fusion. À l'inverse, les lipides courts offrent moins de possibilités d'interactions avec les molécules voisines, ce qui accroît la fluidité de la membrane et abaisse son point de fusion.
Outre la longueur des chaînes aliphatiques des phospholipides, leur degré d'insaturation peut également influer sur la température de fusion des membranes biologiques. En effet, une double liaison introduit généralement une courbure dans les queues hydrophobes des lipides membranaires, ce qui perturbe leur empilement au sein de leur feuillet de la bicouche lipidique, réduisant les possibilités d'interactions entre molécules voisines, d'où fluidification de la membrane et abaissement du point de fusion de cette dernière ; l'empilement moins serré des molécules lipidiques a également pour conséquence d'augmenter la perméabilité membranaire aux ions et aux molécules de petite taille telles que l'eau.
La plupart des membranes naturelles sont un mélange complexe de différentes molécules lipidiques. Si certains constituants sont liquides à une température donnée tandis que d'autres sont gelés à cette température, les deux phases peuvent coexister dans des régions distinctes de la membrane. Cette séparation de phase joue un rôle déterminant dans les phénomènes biochimiques dans la mesure où des composants de la membrane telles que les protéines peuvent séparer l'une et l'autre phase et donc être localement concentrés ou activés. Un constituant particulièrement important de nombreux systèmes à phase mixte est le cholestérol, qui module la perméabilité, la résistance mécanique et les interactions biochimiques des bicouches lipidiques.
Propriétés chimiques et nature des surfaces
vignette|Phosphatidylcholine. vignette|Phosphatidylsérine.