Lorsque les phospholipides sont placés en milieux aqueux ou en solvant à molécules polaires, les parties hydrophiles des phospholipides (les têtes) vont former des liaisons hydrogènes et des liaisons de Van der Waals fortes avec les molécules d’eau polaires, du fait de leur forte polarité.

 

Les têtes des phospholipides vont donc être attirées par les molécules d’eau. Les parties hydrophobes des molécules amphiphiles, c’est-à-dire les acides gras, ne vont pas former de liaisons avec l’eau car ils sont apolaires (liaisons hydrogènes non réalisables). Ces acides gras ne seront donc pas attirés par les molécules d’eau du solvant tandis que les têtes le seront. 

 

De plus, les têtes polaires et hydrophiles vont s’attirer entre elles grâce aux interactions de Van der Waals et donc tenter de se rapprocher. Il n’y a pas de réelle force de répulsion à part entière entre les acides gras hydrophobes et les molécules d’eau, mais il n’y a pas d’intérêt à ce qu’ils restent en contact et vont avoir tendance à s’éloigner de la même manière que l’huile n’est pas miscible avec l’eau. En effet, la présence des acides gras hydrophobes dans la solution empêche les molécules d'eau (H2O) de former des liaisons électrostatiques importantes (Van der Waals et hydrogènes), l'état n'est alors pas stable et les parties hydrophobes auront tendance à se positionner de telle manière à minimiser le désordre du système vers un état plus stable, d'où l'auto-assemblage des phospholipides en structures particulières comme celles des liposomes. Néanmoins, les acides gras vont s’attirer entre eux sous l’effet de liaisons de Van der Waals.

Ainsi, les têtes hydrophiles et polaires sont attirées par les molécules d’eau et s’attirent entre elles, alors que les acides gras ne sont pas attirés par l’eau et vont avoir tendance à s’en éloigner, et ils sont attirés légèrement entre eux.

 

C’est pourquoi les molécules amphiphiles vont s’agencer en bicouche lipidique liposome, de telle manière à ce que les têtes hydrophiles restent en contact avec l’eau et que les acides gras ne soient pas en contact avec l’eau mais en contact entre eux. Selon la structure des phospholipides, ceux-ci vont s’agencer en différentes structures comme les micelles, les micelles inverses ou bien en liposomes, c’est-à-dire en bicouches de même structure que les bicouches lipidiques constituant les membranes plasmiques des cellules.

 

De manière générale, les composés amphiphiles présentent tous des propriétés d’auto-assemblage, et la géométrie des molécules amphiphiles est en effet un des facteurs permettant de prévoir l’auto-organisation de celles-ci en milieu aqueux (eau) ou en autre milieu polaire. La structure résultante de l’association de ces molécules entre elles peut ainsi être prédite par un paramètre empirique, c’est-à-dire non basé sur des démonstrations mais plutôt sur des expériences Ce nombre sans dimension est appelé paramètre d’empilement « P » ou paramètre d’auto-assemblage.

 

Purement géométrique, ce paramètre est construit en combinant l'aire que prend la tête polaire a0 de la molécule amphiphile considérée, le volume V et la longueur lc de la  chaîne de l’acide gras dans le cas des glycérophospholipides, tel que :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (en nm3) est le volume de la chaîne carbonée hydrophobe, il est calculé par :

 

 

 

 

 

Où N(c) est le nombre d'atomes de carbone, N(Me) le nombre de groupement méthyles (CH3) et 0.027 correspond au volume d’un méthyle en nm3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lc (en nm) est la longueur de la chaîne carbonée hydrophobe, elle est calculée par :

 

 

 

 

 

 

Où 0.15 correspond au rayon du méthyle terminal (en fin de liaison) en nm et 0.127 est la longueur d’une liaison carbone-carbone en nm.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Représentation des différentes phases d’assemblages obtenues suivant la valeur du paramètre d’empilement P

 

Lorsque P est inférieur à 1/3, l’assemblage des molécules amphiphiles va être d’une courbe positive et elles vont ainsi former des micelles.

 

Lorsque P est compris entre 1/3 et ½, les molécules amphiphiles vont former des micelles cylindriques.

 

Lorsque P est compris entre ½ et 1, les molécules vont former des bicouches lipidiques ou des liposomes, tandis que lorsque P est  supérieur à 1, les molécules vont former des micelles inverses ou des micelles cylindriques inverses car l’ensemble présentera une courbure négative.

 

Les phospholipides forment rarement des micelles en raison de leurs chaînes d’acides gras trop volumineuses pour s’intégrer correctement à l’intérieur d’une micelle. Ils forment alors des liposomes, des bicouches planes ou des micelles inverses.

A l’inverse, les molécules amphiphiles utilisées dans les produits nettoyants comme les savons, appelés tensio-actifs, forment très souvent des micelles car ils ne possèdent qu’une seule queue hydrophobe.

 

Exemples

 

 

Pour la phosphatidylcholine, le paramètre d’empilement est de 0.66 car (v = 0.84 nm cube ; a0 = 0.71 nm carré ; lc = 1.8 nm). P est compris entre ½ et 1. Ainsi, les phospholipides vont former des bicouches sphériques et donc des liposomes. 

 

Pour un tensio-actif comme le dodécylsulfate de sodium (SDS), le paramètre d’empilement est de 0.36 car (v = 0.35 nm cube ; a0 = 0.6 nm carré ; lc = 1.7 nm). Comme 0.36 est sensiblement égal à 1/3, ces tensio-actifs vont former des micelles sphériques ou cylindriques.