Infrared kinetic study of the main phase transition of saturated phosphatidylcholines/water multilamellar systems: determination of the cooperative unit and the activation energies

Laboratoire d'optique moléculaire, 40, avenue du Recteur-Pineau, 86022 Poitiers Cedex, France.

Abstract

The transition temperature, cooperativity and activation energy of the "gel to liquid crystal" main phase transition of saturated phosphatidylcholines/water multilamellar samples were determined from infrared spectra, using δOH and δCH₂ vibrational bands, corresponding respectively to the polar head/water interface and hydrocarbon chain core of the bilayers. These kinetic parameters depend upon the water concentration (C%), the hydrocarbon chain length and the annealing time of the sample. From these results, a reordering of the polar head region would occur before the melting of the hydrocarbon chains. l t was pointed out, that the phase transition is a two steps process: an initial one involving high activation energies (from 42 kJ/mole for C=54% to 125 kJ/mole for C=9%), followed by a second one with lower activation energies (from 0.8 kJ/mole for C=54% to 7.5 kJ/mole for 5=9%). The influence of the annealing time suggests that the transition would start at structure defects and then extend to more ordered parts. For shorter chains, the transition appears to be facilitated, with higher cooperativity and lower activation energies.

Résumé

On étudie par spectrométrie infrarouge, la température de transition, la coopérativité et les énergies d'activation de la transition de phase principale "gel-cristal liquide" de systèmes multilamellaires phosphatidylcholines à chaînes saturées/eau, ainsi que l'influence sur ces paramètres de la concentration en eau (C%), de la longueur des chaînes et du temps de recuit des échantillons. Cette étude cinétique a permis de suivre les transformations se produisant à l'interface tête polaire/eau et dans la partie hydrophobe des chaînes hydrocarbonées, grâce aux bandes de vibration δOH et δCH₂. Elle confirme que la transition de phase se produit d'abord dans la partie polaire, puis s'étend dans la zone hydrophobe. Les résultats montrent que la transition présente deux étapes: une première, d' énergie d'activation élevée (de 42 kJ/mole pour C = 54% à 125 kj/mole pour C=9%), suivie d'une seconde d'énergie d'activation plus faible(de 0,8 kj/mole pour C=54% à 7,5 kj/mole pour C=9%). L'influence du temps de recuit suggère que le processus commence aux défauts de structure pour se propager ensuite dans les zones mieux organisées. D'autre part, la transition est facilitée par le raccourcissement des chaînes hydrocarbonées, qui entraîne une augmentation de la coopérativité et une diminution des énergies d'activation.