Le programme d’expériences sur les matériaux mous est surtout axé sur des problèmes de pertinence biologique, notamment sur la membrane plasmatique et les technologies d’administration de médicaments à travers de telles membranes. Les faisceaux de neutrons constituent d’excellentes sondes pour les biomatériaux, car ces derniers sont riches en hydrogène. Cependant, les neutrons permettent non seulement de différencier les différents éléments, mais aussi leurs isotopes, comme l’hydrogène et le deutérium.. Au CCFN-CNRC, des faisceaux de neutrons dont les flux et les longueurs d’onde sont adaptés à de telles expériences sont produits par le réacteur NRU (National Research Universal).

Points saillants de la recherche :

Emplacement inhabituel du cholestérol dans une membrane lipidique polyinsaturée

T. A. Harroun, J. Katsaras and S. R. Wassall

Le cholestérol est un composant essentiel des cellules des mammifères; il est obtenu à partir des aliments d’origine animale (lait, beurre, fromage, viande, oeuf); il peut aussi être synthétisé dans le réticulum endoplasmique, organite infracellulaire. Le cholestérol est nécessaire à la construction et au maintien des membranes cellulaires et à la régulation de leur fluidité; il peut aussi agir en antioxydant pour éviter ou ralentir les dommages par oxydation des cellules.

Figure 1. Schéma des emplacements et des orientations du cholestérol dans une membrane. Un arrière-plan gris de phospholipides modèles est présenté à des fins d’illustration. (A) Emplacement et orientation canoniques du cholestérol dans une bicouche. (B) Emplacement et orientation du cholestérol dans des bicouches PC 20:4-20:4.

Les acides gras polyinsaturés (AGPI) constituent un groupe de molécules biologiquement influent dont l’importance physiologique est aujourd’hui bien établie. De nombreux états pathologiques et maladies chroniques sont soulagés par une consommation alimentaire d’AGPI. Alors que l’intérêt s’est concentré sur la classe des lipides AGPI oméga 3, il s’est aussi étendu à une variété de problèmes de santé chez les humains, dont des effets associés aux AGPI sur la transmission de signaux protéiniques dans le cas d’inflammation, de cancer, d’artériosclérose et des effets suppressifs sur le système immunitaire. L’efficacité des AGPI a été attribuée à la formation de domaines de membranes enrichis en AGPI contenant des phospholipides. Conformément à ce modèle, les AGPI très désordonnés procurent un environnement local nécessaire à la fonction protéinique.

Pendant des dernières années, des chercheurs de la Brock University (St. Catharines, ON), de la Indiana University-Purdue University Indianapolis (IN, É.-U.) et du CCFN-CNRC ont étudié l'emplacement du cholestérol dans un certain nombre de systèmes de membranes modèles. À l’aide de la diffraction des neutrons, [1] ils ont trouvé que, dans la plupart des membranes, le cholestérol s’alignait dans l’orientation verticale généralement acceptée (voir figure 1A). Les membranes phosphatidylcholines (AGPI) 20:4-20:4, dans lesquelles le cholestérol se trouve sans équivoque au milieu de la bicouche (voir figure 1B), constituent une exception.

Les constatations tirées de travaux effectués avec la diffraction des neutrons suggèrent que la faible affinité pour les AGPI pouvait affecter la transmembrane, ainsi que la répartition latérale du cholestérol. Une tendance à se déposer au centre des membranes contenant des AGPI faciliterait le basculement des stérols d'un côté à l'autre d'une membrane. À titre d’exemple, la présence d'AGPI dans le feuillet interne de membranes plasmiques peut améliorer le transfert du cholestérol vers le feuillet externe, ce qui pourrait modifier la composition et la fonction des systèmes. Finalement, des taux supérieurs de basculement du cholestérol ont été observés dans des simulations à gros grains, récemment publiées, qui identifiaient la présence de stérol intégré entre des monocouches de bicouches PC contenant de l’acide arachidonique.[2]

D’autres études montrent une importance fonctionnelle de la diversité lipidique : les espèces de lipides déterminent l’orientation du cholestérol dans les bicouches.[3] Nous avons observé le même emplacement du cholestérol dans des bicouches d’AGPI dopées avec une petite quantité de POPC. La Figure 1A montre le profil de différence NSDL correspondant à des bicouches d’AGPI contenant 30 % de moles de POPC dans lequel l’étiquette cholestérol a été nettement observée au centre de la bicouche. Il s’agit là de la plus forte concentration de POPC dans laquelle du cholestérol a été observé sans ambiguïté au centre de la bicouche. Toutefois, la situation s’est modifiée lorsque les quantités de POPC ont augmenté. La Figure 1B montre le profil de différence NSDL correspondant à des bicouches d’AGPI contenant 50 % de moles de POPC, concentration la plus faible à laquelle nous avons observé que le cholestérol revenait à son orientation verticale. L’étiquette deutérium apparaît à approximativement 15 Å du centre de la bicouche, ce qui place le groupe hydroxyle du cholestérol dans la région interfaciale hydrophobique/hydrophilique, excellente confirmation des données précédentes.

Figure 2. Distribution de profils de différence de densité de longueur de diffusion des neutrons (deutérium moins cholestérol non deutéré) de l’étiquette deutérium du cholestérol dans des bicouches d’AGPI dopées avec A) 30 % de moles de POPC et B) 50 % de moles de POPC. Les illustrations représentent une vue schématique des différents composants des bicouches : POPC en jaune, AGPI en vert, cholestérol en mauve et étiquette deutérium en noire.

Lors du dopage des bicouches d’AGPI avec de la DMPC, la situation est radicalement différente de celle avec POPC. Alors que 50 % de moles de POPC était nécessaire pour que le cholestérol bascule en position verticale dans des couches d’AGPI, la figure 2 montre que 5 % de mole de DMPC seulement a été nécessaire pour obtenir le même effet. Ce résultat montre nettement l’affinité du cholestérol pour les chaînes saturées.