Biologie Cellulaire: La Membrane Cellulaire

Généralités

• La membrane cellulaire délimite le volume de la cellule et sert de barrière de perméabilité sélective entre la cellule et son environnement.
• Elle régule la composition ionique et moléculaire du contenu cellulaire, et joue un rôle clé dans l'interaction cellulaire.
• Le concept de la membrane cellulaire date de 1855, établi par Carl Nägeli, qui proposa l'existence d'une enveloppe isolant le contenu cellulaire.
• En 1925, Gorter et Grendel ont démontré que la membrane est constituée d'une bicouche lipidique.
• En 1930, Danielli a ajouté la présence de protéines membranaires au modèle.
• En 1972, Singer et Nicholson ont interprété des images de membranes au microscope électronique.
• La membrane est constituée d'une bicouche lipidique associée à des protéines transmembranaires et périphériques.
• Les lipides et protéines transmembranaires sont en mouvement perpétuel.
• La membrane plasmique est asymétrique, épaisse de 7.5 nm, et sépare les milieux extracellulaire et intracellulaire.
• Elle est composée de lipides, protéines et sucres.
• La membrane plasmique a cinq caractéristiques : une bicouche lipidique continue, des macromolécules protéiques/glycoprotéiques insérées, une organisation asymétrique, une composition chimique non homogène et une continuité avec le système endomembranaire.

Structure et composition

• La structure chimique et physique de la membrane plasmique inclut les lipides, les protéines et les glucides.
• L'architecture générale est une mosaïque fluide avec une double couche de phospholipides où les protéines sont enfouies et les sucres liés aux protéines et lipides.

Lipides membranaires

• Ils sont les éléments de base de la membrane plasmique et sont relativement peu variés d’une membrane à une autre. Les catégories sont les phospholipides, le cholestérol et les glycolipides.

Composition des lipides membranaires

• Les phospholipides sont les lipides membranaires les plus abondants, aussi appelés phosphatides ou acides phosphatidiques; ils sont des esters bâtis sur un trialcool, le glycérol.
• Ils comportent deux acides gras (chaînes aliphatiques) estérifiés sur deux groupements alcool du glycérol et le troisième groupement alcool est estérifié par l'acide phosphorique, formant un groupement phosphatidyl.
• Le groupement phosphatidyl peut être lié à la choline, ce qui crée un ensemble neutre malgré les charges positives de la choline et négatives du phosphate.
• Acide phosphatidique : 2 acides gras + 1 glycérol + 1 phosphate+ 1 alcool
• Cette structure crée deux zones : une hydrophobe (chaînes aliphatiques des acides gras) et une hydrophile (groupements choline et phosphate), rendant la molécule amphiphile ou amphipathique.
• Le cholestérol, synthétisé dans le foie, possède un noyau stéroïdien hydrophobe, une chaîne carbonée hydrophobe latérale et un groupement alcool (OH) hydrophile, le rendant amphiphile.
• Le cholestérol se trouve dans les membranes plasmiques eucaryotes avec un ratio de 4 phospholipides pour 1 cholestérol, influençant la fluidité et la stabilité mécanique de la membrane.
• Les glycolipides ont une structure similaire aux phospholipides, mais sans acide phosphorique; à la place, ils sont estérifiés avec un sucre qui constitue la partie polaire.
• Différence avec les glycérophospholipides : la glycérol est remplacé par la sphingosine
  • On distingue :
    • Céramide : sphingosine + acide gras
    • Sphingophospholipides : sphingosine + acide gras + phosphate + alcool
  • Il en existe deux types de glycolipdes :
    • Glycolipides simples → galacto-cérébrosides avec comme sucre le galactose seul.
    • Glycolipides complexes → gangliosides contenant des chaînes ± ramifiées riches en N- acétyl acide neuraminique (NANA = acide sialique).

Propriétés des lipides membranaires

• Les lipides membranaires sont amphiphiles et interagissent avec les milieux aqueux intra et extracellulaires en positionnant leur partie hydrophobe à l'écart de l'eau et leur partie hydrophile au contact.
• Ils forment soit une seule couche (micelle), une double couche sphérique (liposome) ou une double couche plane (membrane).
• La répartition des lipides est asymétrique entre les deux couches, avec les sphingolipides, phosphatidylcholine et glycolipides plus abondants dans la couche externe, et phosphatidyléthanolamine et phosphatidylsérine dans la couche interne.
• La membrane plasmique n'est pas figée, avec des constituants (lipides, protéines) qui se déplacent de manière plus ou moins libre.
• La fluidité membranaire dépend de trois facteurs : la nature des phospholipides (présence/absence de doubles liaisons en cis dans la chaîne aliphatique), la quantité de cholestérol (augmente la solidité) et la température (augmente la vitesse de mouvement).
• La vitesse de déplacement des phospholipides dépend de la longueur et de l'insaturation des chaînes aliphatiques.
• Les phospholipides présentent trois types de mouvements : mouvement de translation (diffusion latérale rapide), mouvement rotatoire (rotation sur place fréquente) et mouvements Flip-Flop (saut lent d'une couche à l'autre).

Protéines Membranaires

• Les protéines membranaires varient en diversité et spécificité d’une cellule à l’autre et sont moins nombreuses mais plus volumineuses que les lipides, avec un PM moyen compris entre 20 et 21.5KDa.

Structure des protéines membranaires

• Les protéines peuvent interagir de diverses manières avec les lipides membranaires.
• Deux catégories principales de protéines membranaires sont les protéines transmembranaires (intrinsèques) et les protéines périphériques (extrinsèques).
• Les protéines transmembranaires, détectées par cryofracture, sont hydrophiles à leurs extrémités N et C-terminales (cytoplasme ou milieu extracellulaire). - La partie intramembranaire est hydrophobe (hélice α avec ~20 acides aminés hydrophobes), traversant la bicouche une (bitopique) ou plusieurs fois (polytopique). - L’extrémité extracellulaire est presque toujours glycosylée.
  • Les Protéines transmembranaires sont maintenues dans la double couche lipidique via une liaison non covalente avec un acide gras.
    • Exemples de protéines transmembranaires :
      • Les Protéines bitopiques agissent communément comme des récepteurs catalytiques comme pour l’insuline : la glycophorine est glycosylée et présente dans la membrane plasmique des érythrocytes.
      • Les Protéines polytopiques comme la bande 3 assurent le transport des anions (Cl-, HCO3- ) à travers la membrane.
• Les protéines périphériques, situées à la périphérie de la membrane plasmique, se trouvent sur la face cytosolique (jamais glycosylées) ou extracellulaire (généralement sous forme de glycoprotéines). - Les protéines intracellulaires se fixent par des liaisons non covalentes à une chaîne d’acide gras, tandis que les extracellulaires se lient à un oligosaccharide au phosphatidylinositol (GPI). - Exemples : spectrine, ankyrine,…
  • Les protéines intrinsèques ou extrinsèques situées sur la face extracellulaire sont toutes glycosylées et divisées en glycoprotéines (chaînes oligosaccharidiques liées aux protéines membranaires) et protéoglycanes (chaînes polysaccharidiques liées aux protéinesmembranaires).
• Ces sucres rectilignes interviennent dans la reconnaissance et l'adhésivité cellulaires.
• Les glycoprotéines, protéoglycanes et glycolipides forment le glycocalyx ou glycolemme.

Déplacements des protéines membranaires

• La mobilité des protéines membranaires est due à la structure de l’organisation moléculaire de la membrane.
• Les protéines se déplacent librement (rotation et translation), comme démontré par l’interaction des membranes cellulaires et la migration des protéines antigéniques dans les lymphocytes.

Facteurs limitant les mouvements des protéines

• Contraintes des mouvements des protéines membranaires - les protéines membranaires dans des zones limitées : les déplacements latéraux s’arrêtent aux jonctions intercellulaires. - Ces dernières assurent l’adhésivité des cellules.
  • Contrôle de la mobilité
    • la fluidité membranaire dépend d’un contrôle externe (effet trans, Lectine) et interne (effet cis, Actine).

Matrice extracellulaire (MEC) et cell-coat

Définition

• Le MEC est un ensemble organisé de macromolécules sécrétées dans l’environnement cellulaire, influençant le comportement cellulaire. Le MEC est un enchevêtrement de sucres (cell-coat), de protéines et de lipides formant les glycolpides, glycoprotéines et protéoglycanes membranaires.
• Le glycocalyx ou cell-coat est un revêtement d'oligosaccharides portés par les glycoprotéines et glycolipides. La laminine et la fibronectine intervient dans l'adhésion, l'ancrage, la reconnaissance intercellulaire et la réception de substances.

La structure du MEC

• Le MEC se compose de 3 éléments fondamentaux.
  • Glycoaminoglycanes (GAG)
    • Chaînes polysaccharidiques composées de disaccharides répétitifs: un acide (glucuronique ou iduronique) ionisé (COO‒) et un sucre aminé (N-Acétyl-glucosamine ou N-Acétyl-galactosamine) souvent sulfaté (SO3‒).

Propriétés des GAG

• Les GAG sont hydrophiles grâce à l’ionisation de leurs groupes chimiques (COO‒ et SO3‒); ils forment des gels hydratés.
• Il existe des protéoglycanes (complexe de protéines et GAG, liés de façon covalente): un rôle dans la signalisation intercellulaire.
• Il existe les protéines fibreuses sont associées au gel formé par les GAG un rôle structural (collagène et élastine) et/ou d’adhésivité (fibronectine, laminine). - Structures mésenchymateuses lâches ou épithéliales serrées selon l'abondance des protéoglycanes et protéines fibreuses.

Synthèse

• Elle se caractérise par l’attachement des vésicules golgiennes avec polysaccharides à la membrane plasmique grâce aux protéines membranaires. et la membrane vésiculaire est intégrée à la membrane plasmique par exocytose.

Propriétés

• Le cell-coat joue un rôle dans la reconnaissance, spécificité, protection, perméabilité, adhésivité, transformation, charge de surface et activité maltasique des cellules.
• L’acide sialique (NANA) est un sucre aminé issu de la condensation de l’acide pyruvique et du N-acétyl mannosamine.

Perméabilité Membranaire

• Les échanges entre la cellule et son environnement se font par transport transmembranaire (ions et petites molécules) et transport vésiculaire (macromolécules), chacun actif ou passif.

Transports transmembranaires sans mouvement de membrane

• Classés selon la consommation d'énergie et la présence d'une protéine transportrice (perméase).
  • La double couche lipidique concerne les molécules hydrophobes, transportées par diffusion simple.
  • Les protéines membranaires transportent les ions et molécules polaires par diffusion facilitée assurée par des protéines uniport, symport ou antiport.

Canaux et pompes membranaires

• Le transport peut être assuré par des canaux hydrophiles formés par des regroupements de protéines membranaires (aquaporines).
• La diffusion est un processus où une substance ou soluté se déplace d'une zone plus concentrée vers une zone moins concentrée suivant son gradient de concentration.
• La diffusion simple et facilitée suivent le gradient de concentration et ne requièrent pas d'énergie métabolique.
• Le transport actif utilise de l'énergie pour déplacer des solutés contre leur gradient de concentration, via des protéines spécifiques (pompes électrogènes) comme la pompe Na+/K+ qui utilise l'ATP.
• Facteurs influençant le transport des solutés
  • non seulement les concentrations (gradient de concentration),
  • La charge électrique des solutés (gradient électrique). La diffusion d’un ion ou molécule polaire est déterminé par son gradient électrochimique tandis que les non polaires sont influencés uniquement par le gradient de concentration.

Transport passif particulier : Osmose

• L’osmose réfère au mouvement net de l’eau à travers une membrane sélectivement perméable d’une solution hypotonique vers une solution hypertonique.
• Si deux solutions présentent des concentrations inégales de solutés, la plus concentrée est dite hypertonique et la solution le moins concentrée est dite hypotonique. Les solutions qui contiennent une concentration égale de solutés sont dites isotoniques.
• La direction de l’osmose dépend uniquement de la différence dans la concentration totale de solutés de part et d’autre d’une membrane et non de la nature du soluté.
• En présence des solutions isotoniques, l’eau traverse à la même vitesse dans les deux sens.

Transports vésiculaires avec mouvements de membrane

• La cellule est capable de capturer (endocytose) ou de rejeter (exocytose) des substances ou solutes macromoléculaires en formant des vésicules ou vacuoles, qui utilisent le cytosquelette.

Endocytose

• La pinocytose capture des substances du milieu extracellulaire et les transfère. La classification des phénomènes d’endocytose se fait selon : - la présence/absence de revêtement cytosolique sur les vésicules - le volume/taille des vésicules - l’intervention ou non de la dynamine GTPasique pour le détachement de la vésicule.
• Cinq types d’endocytose se démarquent. - Endocytose à vésicules de clathrine - un processus entrainant la formation d’une vésicule hérissée de clathrine avec un diamètre moyen de 120 nm -implique des protéines comme la clathrine et la β-adaptine (intermédiaire entre clathrine et membrane) - la dynamine (GTPase) participe à la déformation des membranes nécessaires à la vésicule.

Types de endocytoses

• Endocytose à vésicules de cavéoline: induite par la fixation d’un ligand, formant des cavéoles ou des cavéosomes détachés par la dynamine.
  • Les cavéoles sont des spécialisations membranaires avec un revêtement de cavéoline (21 kDa).
• Endocytose à vésicules lisses: endocytose constitutive non spécifique formant des vésicules de 100 nm.
• Macropinocytose: endocytose constitutive formant des macropinosomes (0.5-5 μm) avec le cytosquelette.
• Phagocytose: capture et destruction de particules solides par des cellules spécialisées, consommant de l’ATP.

L’exocytose

• Caractérisée par le rejet des substances des vésicules cytoplasmiques (issues de l’appareil de Golgi) dans le milieu extracellulaire. Elle se réalise en trois étapes: - migration des vésicules grâce au cytosquelette; - accolement et fusion des membranes, formant des micelles ; - dispersion des micelles libérant le contenu vésiculaire. Elle se divise en deux voies : constitutive, où la sécrétion transporte les constituants vers la membrane plasmique (via coatomères) ou induite, utilisant des vésicules à clathrines après réception d’un signal extracellulaire.

Rôles de l’endo/exocytose

• nutrition cellulaire et le stockage de matière de réserves
• mécanismes de défense, d’épuration et de sécrétion (mérocrinie et transcytose).

Phénomène de bourgeonnement

• L’émission d’une vésicule hors d’un compartiment membranaire, essentiel pour le transport de molécules entre les organelles des eucaryotes; le mécanisme inverse de l’endocytose.
• Les vésicules de transition assurent un flux entre les membranes du réticulum endoplasmique et de l’appareil de Golgi.
• Le bourgeonnement se faisant jamais au niveau de la membrane plasmique (sauf pour les virus et la sécrétion mammaire des globules graisseux par apocrinie).