Cluster phases of membrane proteins

A physical scenario accounting for the existence of size-limited submicrometric domains in cell membranes is proposed. It is based on the numerical investigation of the counterpart, in lipidic membranes where proteins are diffusing, of the recently discovered cluster phases in colloidal suspensions. I demonstrate that the interactions between proteins, namely short-range attraction and longer-range repulsion, make possible the existence of stable small clusters. The consequences are explored in terms of membrane organization and diffusion properties. The connection with lipid rafts is discussed and the apparent protein diffusion coefficient as a function of their concentration is analyzed.Comment: 5 pages - enhanced versio

Thermodynamics of nano-cluster phases: a unifying theory

We propose a unifying, analytical theory accounting for the self-organization of colloidal systems in nano- or micro-cluster phases. We predict the distribution of cluter sizes with respect to interaction parameters and colloid concentration. In particular, we anticipate a proportionality regime where the mean cluster size grows proportionally to the concentration, as observed in several experiments. We emphasize the interest of a predictive theory in soft matter, nano-technologies and biophysics.Comment: 4 pages, 1 figur

STRUCTURE DES PHASES PRÉSENTES DANS LES SYSTÈMES LIPIDE-EAU

L'étude par diffraction des rayons X de nombreux systèmes lipide-eau a mis en évidence un grand nombre de phases, dont la structure a pu être établie. Le domaine d'existence de ces phases dépend de la nature du lipide (dont le choix s'étend de composés chimiques purs, tels les savons saturés, jusqu'aux mélanges très hétérogènes extraits d'organites cellulaires), de la teneur en eau et de la température. On peut examiner différents aspects de la structure de ces phases : a) Conformation à courte échelle. Les chaînes paraffiniques peuvent adopter différentes conformations : totalement ordonnée, comme dans les cristaux de savon ; très désordonnée, analogue à celle du caoutchouc partiellement étiré ; partiellement ordonnée, avec les chaînes soit étirées soit enroulées en hélice, organisées selon des réseaux à deux dimensions avec désordre rotationnel. b) Organisation à grande échelle. L'organisation peut être périodique à zéro, une, deux ou trois dimensions. Le premier cas correspond à l'état liquide ; le second aux stases smectiques, à structure lamellaire ; le quatrième à l'état cristallin. Le troisième cas (périodique à deux dimensions) satisfait la définition de Friedel d'organisation mésomorphe, mais présente un degré d'ordre plus élevé que celui des stases smectique et nématique. c) Forme des éléments de structure. Les éléments de structure, c'est-à-dire les régions occupées respectivement par les parties paraffiniques et par les parties polaires, adoptent des formes djfférentes, qui peuvent être groupées en trois classes : 1° Lamelles, qui consistent soit de couches planes indéfinies, soit de rubans de largeur finie et de longueur infinie, soit de disques de taille finie. 2° Bâtonnets, soit tiges rigides de longueur infinie, soit bâtonnets de longueur finie, tous identiques, joints trois à trois ou quatre à quatre et formant des filets à deux ou trois dimensions. 3° Sphères. d) Distribution des régions polaires et parafiniques. Dans tous les cas où la structure se prête à une distinction topologique entre régions "intérieure" et "extérieure" deux types de distributions peuvent exister, selon que les parties paraffiniques occupent les régions "intérieures" et les parties polaires les régions "extérieures", ou vice-versa. Les deux types de distributions sont observés couramment. L'ensemble des données expérimentales se prête à des considérations d'ordre chimique, si on envisage la corrélation entre la structure des phases et la nature chimique des lipides, d'ordre cristallographique, si on examine le rôle des éléments de symétrie et l'aspect " cristaux-liquides " de ces structures, et d'ordre thermodynamique, si on s'intéresse à la nature des forces responsables de la stabilité des différentes structures et du polymorphisme.X-ray scattering data on lipid water systems display a number of phases ; the structure of these phases has been established. The phase diagram depends on the nature of the lipid (pure chemical compounds such as the soaps, or heterogeneous mixtures extracted from cellular organites), on the water content and on temperature. The following features are reviewed : a) small scale conformation of the paraffine chains : this may be completely ordered (e. g. pure soap crystals), completely disordered (rubber like), or partially ordered (stretched chains or helical chains in a two-dimensional organisation with rotational disorder) ; b) large scale organization : this corresponds to periodicity in zero, one, two, or three dimensions. The first case is found with liquids, the-second with lamellar phases (smectics), the fourth with crystals. The third case (periodicity in 2 dimensions) is mesomorphic in the Friedel sense, but is more highly ordered than smectics or nematics. c) shape of the structural units, i. e. of the paraffinic and polar regions. One finds three classes : 1) lamellae (indefinite plane layers), ribbons (of indefinite length), discs ; 2) rods of infinite length, or jointed rods associated in two-dimensional (or three-dimensional) networks ; 3) spheres ; d) distribution of the polar and paraffinic regions. In some phases the topology allows for an "inside" region, and an "outside" region. This may occur either as "oil in water" or as "water in oil". These data are discussed from three points of view : 1) chemistry (correlation between phase diagram and chemical composition) ; 2) crystallography (symmetries and relations with liquid crystals) ; 3) thermodynamics (nature of the forces stabilizing the various structures)

PROPRIÉTÉS OPTIQUES ROTATOIRES DE QUELQUES SYSTÈMES A STRUCTURE SMECTIQUE FORMES DE PROTÉINES, LIPIDES ET EAU

Nous avons étudié par dichroïsme circulaire plusieurs préparations à organisation smectique dont la structure a été établie par ailleurs par diffraction des rayons X. On discute quelques problèmes que pose une telle étude et on analyse les corrélations entre les propriétés rotatoires et l'organisation des chromophores, en insistant sur les effets d'orientation et d'interactions.We have studied the circular dichroism of smectic layers made of lipids + protein + water ; the structure of these layers has been established independently by X-ray measurements. We discuss the correlations between the optical properties and the spatial organization of the chromophores, with particular stress on the effects of orientation and interaction

IMAGE ANALYSIS OF FREEZE-FRACTURED LIPID-WATER CUBIC PHASES OF SPACE GROUP Ia3d

L'analyse d'images de microscopie électronique par cryodécapage de phases cubiques Q230 (groupe d'espace Ia3d) de type I ("huile-dans-l'eau") et de type II ("eau-dans-l'huile") nous a permis de visualiser, des aspects locaux de ces structures qui sont en excellent accord avec les profils de densité électronique correspondants, obtenus à partir d'analyses par diffraction de rayons X. Nos résultats indiquent que les principales surfaces de fracture passent, dans ces phases, entre les éléments de structure constitués de tiges relativement rigides, selon des directions bien déterminées.Image analysis by real-space cross correlation averaging of X-ray controlled freeze-fractured cubic Q230 (space group Ia3d) type I ("oil-in-water") and type II ("water-in-oil") phases allowed us to visualize, the local aspects of these structures which are in excellent agreement with the corresponding sections of the computed electron density profiles obtained from X-ray diffraction analysis. Our results indicate that the main fracture surfaces propagate, in these cubic phases, between the relatively rigid rod-like structure elements, following well-defined directions