Self-consistent field theoryof compressible phospholipidmembranes at ambient pressure

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Abstract

We present a microscopic theory of compressible, fully hydratedphospholipid membranes in equilibrium with excess solvent, apply it toan idealized physical model of these systems, and calculate a broadrange of their thermodynamic and structural properties. An essentialfeature of the theory is the anisotropy of the effective fields actingon each of the hydrocarbon segments, which arises as a naturalconsequence of the hard-core repulsions between segments and theconnectivity of the lipid molecules. These fields, along with theinhomogeneous particle and bond density distributions throughout thebilayer interior, are determined via numerical, self-consistent fieldcalculations. In addition to the gel and liquid crystal phases, themodel naturally includes the fully intercalated LβI phase. Theincorporation of compressibility effects enables us to calculatevarious effects of pressure and the density change at the transitionand in the liquid crystal phase. In this paper, we focus on theproperties of fully hydrated (DPPE) in the liquid crystal phase, as well as properties of the main transition, at atmosphericpressure. To a lesser extent, we also discuss predicted dependencesof several key properties on chain length and head group size. Despiteits simplifications, the model provides a quantitative description ofmany of the measured properties of DPPE, and the correct qualitativetrends for the other lipids. In an accompanying paper [the following article], we examine the effects ofpressure, and obtain quantitative agreement with recent observations onoverall density and bilayer thickness.

Nous présentons une théoriemicroscopique pour décrire des membranes phospho- lipidiques, compressibles, complètement hydratées et baignant dans un solventsursaturé. Nous l'appliquons à un modèle physique idéalisé pour cessystèmes et nous y calculons une large gamme de leurs propriétésstructurales et thermodynamiques. Une caractéristique essentielle decette théorie est l'anisotropie des champs efficaces agissant sur chacundes segments hydrocarbures, une conséquence naturelle de la répulsion detype coeur dur entre les segments et de la connectivité entre lesmolécules lipidiques. Des calculs numériques de champs cohérents(self-consistent) permettent d'évaluer les champs et les distributionsde densité inhomogène de particules et de liens dans tout l'intérieur dela bicouche. Le modèle inclut les phases colloïdale et cristal liquide, ainsi que la phase complètement intercalée LβI. L'introductionde la compressibilité permet de calculer divers effets de pression et lechangement de densité à la transition et dans la phase cristal liquide. Nous nous concentrons ici sur les propriétés du DPPE(phosphotidyéthanolamine dipalmitol) en phase cristal liquide et sur lespropriétés de la transition principale à pression atmosphérique. Nousétudions aussi, quoiqu'avec moins d'ampleur, la dépendance de plusieurspropriétés importantes sur les longueurs de chaîne et la grosseur deleur tête. Malgré ses approximations, le modèle donne une descriptionquantitative de plusieurs des propriétés mesurées du DPPE et une bonnedescription qualitative pour les autres lipides. Dans la publicationsuivante, nous examinerons les effets de la pression et obtiendrons unedescription quantitative en accord avec les mesures récentes de ladensité moyenne et de l'épaisseur de la bicouche.

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