Biologie Cellulaire : Membranes Cellulaires (Fiche 3)

Les membranes cellulaires

• La biologie cellulaire se concentre sur l'étude des membranes cellulaires.
• La fiche de cours actuelle est la n°3.

Membranes biologiques

• Les membranes biologiques sont essentielles pour séparer et protéger le contenu cellulaire.
• Elles maintiennent des différences de concentration ionique.

Chez les procaryotes

• Un seul compartiment est présent chez les procaryotes.
• Le cytoplasme est protégé par la membrane plasmique.

Chez les eucaryotes

• La membrane plasmique délimite la cellule eucaryote.
• Les cytomembranes forment un réseau interne autour des organites.
• Elles séparent la partie luminale de la partie cytosolique.
• Les cytomembranes préviennent les interférences entre les réactions biochimiques.
• Elles sont construites de manière similaire à la membrane plasmique.
• Des flux vectoriels orientés de vésicules relient indirectement la membrane plasmique : RE -> Golgi -> Membrane plasmique.

Structure et fonction des membranes

• La membrane plasmique est un filtre sélectif régulant l'entrée et la sortie des molécules.
• Elle maintient des différences de concentration ionique.
• La membrane plasmique capte les informations du milieu extérieur via des récepteurs.
• La signalisation transmet les messages à l'intérieur de la cellule.
• Les membranes cellulaires permettent l'adaptation de la cellule.
• Par l'action de la membrane plasmique et du cytosquelette, ces membranes permettent un mouvement et une expansion cellulaires.
• L'adhésion forme un tissu par un système de reconnaissance, jonction et d'adhésion entre les cellules.
• La cohésion cellulaire permet l'adhérence des cellules entre elles.
• L'adhérence des cellules avec la MEC du tissu conjonctif entraine une cohésion tissulaire.
• La membrane est une frontière physique entre deux milieux aqueux.
• Le milieu extérieur constitue le milieu extracellulaire.
• Le milieu intérieur constitue le milieu intracellulaire.

Architecture de base des membranes biologiques

• Un film lipidique, composé de deux feuillets lipidiques apposés, forme une bicouche lipidique : base universelle de la structuration des membranes.

• Un lipide est constitué d'une tête hydrophile et de deux extrémités hydrophobes.

• Les têtes hydrophiles sont osmiophiles :

  • Réagissent avec le tétraoxyde d'osmium.
  • Elles sont très denses aux électrons.

• Les extrémités hydrophobes sont osmiophobes :

  • Réagissent peu avec le tétraoxyde d'osmium.
  • Elles sont moins denses aux électrons.
  • Les protéines s'associent aux lipides par des liaisons non covalentes.

• L'épaisseur de la membrane est d'environ 7 nm.

• L'épaisseur peut varier selon le type cellulaire et le type de membrane.

• La membrane plasmique est plus épaisse que celle du RE.

• La composition est invisible en microscopie optique avec une simple démarcation entre les cellules.

Aspect trilamellaire

• La microscopie électronique à transmission permet d'observer l'aspect trilamellaire dû à la disposition des lipides.
• Un feuillet dense osmiophile (≈ 2 nm) est présent.
• Un feuillet clair osmiophobe (= 3 nm) est présent.
• Un feuillet dense osmiophile (≈ 2 nm) est présent.
• Présence de sucres :
  • Les sucres sont liés aux protéines (glycoprotéine) et aux lipides (glycolipides) par glycosylation.
  • Les sucres forment un feutrage glucidique localisé.
  • On retrouve ce feutrage sur le feuillet exoplasmique de la membrane plasmique : cell coat ou glycocalyx. - On peut le retrouver sur la face interne des cytomembranes du côté de la lumière des organites.
  • Les sucres ne sont jamais orientés du côté du cytoplasme.

Analyse biochimique des membranes cellulaires

• L'hématie ou globule rouge est un modèle d'étude concernant la membrane plasmique et son analyse biochimique.
• L'hématie est hyperspécialisée et n'a qu'une seule membrane.
• Elle perd son noyau et ses organites au cours de sa différenciation.
• Elle renferme un sac d'hémoglobine simple à purifier et à analyser.
• En microscopie, l'hématie est osmiophile et très dense aux électrons en ME de part le fer qu'elle contient.
• La taille microscopique d'une hématie est de 7 µm de diamètre.

Équilibre osmotique

• La concentration ionique en NaCl est égale de part et d'autre de la membrane plasmique, soit 9g de NaCl pour 1000g d'eau en intracellulaire et en extracellulaire.
• L'eau se déplace de la solution hypotonique vers la solution hypertonique.
• Pour purifier la membrane plasmique de l'hématie, on agit sur la pression osmotique.
• Les hématies plongées dans une solution hypotonique (5%) gonflent sous l'effet de l'entrée massive d'eau.
• L'entrée d'eau entraine des micro-ruptures et l'hémolyse.
• Les membranes se ressoudent rapidement et on obtient des ghosts d'hématies, soit un sac vide sans hémoglobine.
• Ces ghosts d'hématies sont centrifugés puis observés.

Composition biochimique de la membrane des hématies

• Les pourcentages en masse varient selon le type cellulaire.
• 52% de protéines
• 40% de lipides
• 8% de sucres
• En nombre, les lipides sont plus importants : 50 molécules de lipides pour 1 molécule protéique.

Lipides membranaires : Composition Lipidique

• Les membranes cellulaires sont composées de trois composants lipidiques en proportions variables.
• Les phospholipides représentent 55%.
• Les glycolipides représentent un volume de 20%.
• Le cholestérol volume est de 25%.
• Ces trois composants sont construits à partir d'acides gras.
• Les molécules amphiphiles combinent une tête polaire ou hydrophile et une extrémité hydrocarbonée apolaire ou hydrophobe.

Acides gras (AG)

• Chaîne hydrocarbonée hydrophobe de longueur variable.
• Formule générale: CH3-(CH2)n-COOH où n est un nombre pair de carbones.
• AG saturés : n'ont aucune double liaison.
• Exemples: Acide palmitique (C16) ou Acide stéarique (C18).
• AG insaturés (ou polyinsaturés) : possèdent une ou plusieurs doubles liaisons.
• Acide oléique (C18) présentant 1 double liaison.

Insaturations

• Les insaturations réduisent l'encombrement stérique et fluidifient la membrane.
• La double liaison est responsable d'une plicature qui rend l'acide gras plus court.
• Les AG insaturés dérivés des graisses végétales sont liquides à température ambiante.
• Les AG saturés, dérivés des graisses animales, sont solides à température ambiante.
• Plus la membrane est riche en AG insaturés, plus elle sera fluide.
• Les triglycérides sont 3 chaînes d'AG estérifiées sur une molécule de glycérol et permettent le stockage des lipides.
• La cardiolipine est un lipide de la mitochondrie, composé d'acides gras.
• Les phospholipides forment la double couche lipidique.
• Ils dérivent du glycérol.

Composants des phospholipides dérivés du glycérol :

• 2 queues d'acides gras hydrophobes (1 AG saturé et 1 AG insaturé)

• 1 glycérol

• 1 acide phosphorique

• 1 groupement polaire

• Le groupement polaire, lié à l'acide phosphorique, différencie les phospholipides.

• Choline donne la phosphatidylcholine (PC) :

  • C'est le phospholipide le plus abondant dans la membrane plasmique.

• La sérine, donne la phosphatidylserine (PS): chargée négativement.

• Inositol, donne le phosphatidylinositol (PI) :

  • Il est un phospholipide minoritaire.
  • Il peut être mono-, bi- ou triphosphaté, donnant des phosphoinositides importants pour la transmission du signal et l'orientation du trafic cellulaire.

• Les sphingolipides dérivent de la sphingosine dont le plus important est la sphingomyéline. 1 céramide, égale à 1 sphingosine + 1 AG généralement saturé.

• Un acide phosphorique

• Un groupement choline.

Cholestérol

• Le cholestérol est présent dans toutes les membranes cellulaires animales.
• Une exception se trouve dans la membrane interne des mitochondries.
• Il est absent chez les procaryotes.
• Absent chez les cellules végétales qui comportent un stérol apparenté à la place.
• Marqueur spécifique de la membrane plasmique.
• Cela permet de différencier les cytomembranes qui en contiennent en moindre proportion.
• La molécule amphiphile possède 1 petite tête polaire, soit un groupement OH hydrophile.
• La chaîne est composée de 4 cycles aromatiques extrêmement rigides, formant le noyau stéroïdien ainsi qu'une queue hydrocarbonée apolaire.
• C'est une molécule compacte et plus courte que les phospholipides. Elle s'intercale entre ces derniers dans les espaces générés par leurs insaturations et diminue la perméabilité de la bicouche par sa rigidité.

Glycolipides

• Composés de 1 sphingosine, 1 céramide, 1 AG généralement saturé et 1 tête polaire, soit des sucres.
• On observe le galactocérébroside, produit par les oligodendrocytes, ne contenant qu'un galactose et en quantité importante dans les gaines de myéline, finement régulée.
• Il existe le glucocérébroside composé de céramide + glucose.

Maladies Lysosomales

• Leucodystrophie: anomalie de la substance blanche causée par une mutation du gène codant pour la galactocérébrosidase.
  • Diminution voire absence de l'enzyme lysosomale responsable de la dégradation du galactcérébroside.
  • Accumulation de galactocérébroside au sein des lysosomes et mort des cellules productrices de myéline.
  • La maladie de Krabbe est donc une maladie de surcharge lysosomale.
• Dans la maladie de Gaucher, le leucodystrophie est une maladie de surcharge lysosomale.
  • Mutation entrainant une diminution ou une absence de glucocérébrosidase.
  • Accumulation de glucocérébroside dans les lysosomes du macrophage entrainant la mort de la cellule.

Glycolipides complexes

• Composés de 1 céramide + plusieurs sucres, comme l'exemple du ganglioside GM1 qui comprend 4 sucres + l'acide sialique ou NANA lui conférant une charge négative.

Choléra

• Maladie infectieuse responsable de diarrhées brutales pouvant entrainer une déshydratation sévère parfois mortelle.

  • La bactérie du choléra sécrète sa toxine dans le tube digestif Se fixe sur les gangliosides GM1 des cellules épithéliales intestinale et modifie la perméabilité de la membrane entrainant une sortie d'eau dans la lumière intestinale.

• Les Gangliosides GM1 sont un récepteur du virus SV40.

Maladie de Fabry :

Causée par une mutation du gène codant pour une enzyme lysosomale à l'origine de la dégradation d'un glycolipide complexe.

• Accumulation de ce glycolipide au sein des lysosomes. C'est une maladie de surcharge lysosomale touchant principalement le cœur la le cerveau ainsi que les reins.

Réarrangement des lipides dans une solution aqueuse

• En solution aqueuse, les lipides sont soumis à deux forces antagonistes.
• L'une attirant les têtes polaires vers l'eau.
• L'autre tendant à faire fuir les queues apolaires de l'eau.
• En absence d'agitation, les lipides forment spontanément une monocouche à la surface de l'eau.
• Dans cette monocouche, l'extrémité apolaire des lipides est dirigée vers l'air.
• La tête hydrophile est en contact avec l'eau.

Réarrangement spontané:

• En micelles dû à une forme conique.

  • Les têtes polaires sont dirigées vers l'extérieur (vers l'eau) et queues apolaires dirigées vers l'intérieur des micelles.
  • En bicouche lipidique
    • Les têtes font face à l'eau. -Les queues sont face à face.
  • Une bicouche lipidique tend à se ressouder sur elle-même.
  • Cela se fait spontanément pour former une sphère, car énergétiquement plus favorable.

• Les membranes artificielles ou liposomes peuvent être formées en laboratoire de la même manière : lipide à double couche exempt de protéine et de sucres.

Mobilité des phospholipides membranaires

• Très fréquents et très rapides, de l'ordre de la picoseconde sans déplacement.
• On les nomme mouvement des rotations : les lipides tournent autour de leur axe.
• Il existe également les mouvements de flexions: oscillations des chaînes hydrocarbonées des AG.

Mouvements diffusion latérales

• Mouvement avec déplacements dans le plan de la bicouche.

  • Les lipides peuvent changer de place entre voisins au sein d'un même feuillet et sont de l'ordre de la milliseconde.

• Le passage d'un lipide d'un feuillet à l'autre de la bicouche est un mouvement de bascule.

• Ce mouvements est très rare et lent dans les membranes artificielles.

• La tête polaire doit traverser la zone hydrophobe et l'énergie est donc défavorable.

• Dans les membranes biologiques, ce mouvement est catalysé par des enzymes: les flippases.

Apoptose et redistribution des lipides

• La phosphatidylserine du feuillet interne de la bicouche bascule sur le feuillet externe.

  • C'est un signal indiquant l'entrée en apoptose.
  • Cela va recruter les cellules immunitaires.

• La biosynthèse et le renouvellement des membranes :

  • Après la biosynthèse, une redistribution des lipides de fait sur le feuillet cytosolique de la membrane du RE.
  • Le Flip-flop permet de rétablir l'asymétrie lipidique entre les deux feuillets de la membrane.

Fluidité membranaire:

• La longueur des chaines hydrocarbonées influence la fluidité .
• Plus les chaînes sont courtes, plus la membrane est fluide (longueur moyenne de 16 à 20 carbones).
• Augmentant le degré d'insaturation : plus il y a de doubles liaisons, plus la molécule est compacte, plus la membrane est fluide
• Une température élevée entraine une membrane plus fluide
• Une augmentation de la présence du cholestérol réduit la fluidité.
• Membranes fluides : Chaines courtes et insaturées d'AG, avec peu de cholestérol avec une température élevée.
• Membranes visqueuses: Chaines longues et saturées d'AG, avec beaucoup de cholestérol avec une température basse.

Asymétrie de la bicouche lipidique

• La disposition des phospholipides est variable entre les deux feuillets.

• On retrouve majoritairement sur le feuillet externe exoplasmique: -Des phosphatidylcholines

  • Des sphingomyélines

• Feuillet interne ou cytosolique:

  • On y retrouve majoritairement de la phosphatidyléthanolamine, la phosphatidylserine ainsi que le phosphatidylinositol.
  • Le cholestérol est réparti de façon homogène sur les deux feuillets et ne participe pas à l'asymétrie membranaire

• La présence de sucres est orientés exclusivement vers le milieu extracellulaire.

Rafts lipidiques ou radeaux lipidiques

• Zones épaissies enrichies en cholestérol, en sphingomyéline et en AG saturés sont moins fluides.

Fonctions générales des protéines membranaires

• Les protéines réceptrices sont un lieu du regroupement protéique Des protéines matricielles, ou des protéines de signalisation sont dans le feuillet interne. Des protéines à ancrage GPI se trouvent dans le le feuillet externe.
  • Les propriétés DRM (detergent - resistant membranes) sont dues à la présence d'interactions fortes non covalentes entre les lipides qui les rendent résistants et insolubles en dégraissants.

Classification des protéines membranaires:

• Transporteurs: de nutriments, de métabolites, d'ions.
• Protéines de liaison: Liaisons aux aux protéines périphériques de part et d'autre de la membrane sur différents éléments.
• C'est un relais de signalisation qui engage une cascade.
• L'activité enzymatique permet des catalyse des catalyse des réactions biochimiques spéciales : kinases ou des enzymes lysosomiales.

Composition protéique

• Enchaînement linéaire d’acides aminés liés entre eux par des liaisons covalentes appelées liaisons peptidiques.
• On retrouve, dans un ordre précis, les acides aminées de part et d'autre de la membrane en fonction de leur caractère , hydrophile ou hydrophobe.

Structure protéiques

• Structure primaire:
  • Enchainement linéaire d'acides aminées par des liaisons peptidiques
• Structure secondaire Repliement locale de la séquence linéaire Formant des hélices α et en feuillets β.
• structure tertiaire Repliement spécifique qui lui donne sa composition 3d
• structure quaternaire s’assemble des différentes sous-unités formant une protéine multimérique.

Associations Membranaires aux protéines:

Les membranes suivent deux modèles.

• Modèle de Danielli :

  • Membrane biologique composée de lipides avec présence de protéines périphériques de part et d'autre de la membrane, sans jamais traverser.

• Modèle de mosaïque-fluide de Singer et Nicolson

  • Modèle traduisant la composition et le comportement dynamique des membranes : Composition hétérogène et symétrie lipidique, protéique, et glucidique. Fluide est dynamique

• Protéines transmembranaires à hélice 𝛼.

• Molécules amphatiques

• Les plus nombreuses (70%)

• Protéine en épingle à cheveux

  • Protéine en épingle à cheveux les moins nombres Uniquement orienter vers le cytosol Ne traverse que le feuillet interne de la membrane Très hydrophile.

• Protamine a ancre

Ancrage sur un seul feuillet de la membrane sur le versant intra ou extracellulaire.

• ancrage du lipide/Protamine, traduction.
• Protamine marticielle liée de fonction pour un autre protamine membranaire Externe fibre lactique .
• Protéines périphériques (30%) Font le lien avec exosquelette
• Les plus fréquentes sont les protéines des globules rouges.

Domaines traversant les membranes

• Domaine trans membrane sont 20 à AA-hydrophobes.
• Les protéines réalisant un seul passage transmembranaire sont des protéines singlepass

Liaison hydrogène

• chaîne latérale hydrophiles A
• glycophorine
• les protéines réalisant plusieurs passages sont multi passage comme une porosité ou une permet ase.

Protamines Trans Membranaires à Feuillets B

• association d’associations hydogènes formant F
  • structuration est étiré d’elles , 30 aa pour le traverser chaînes latérales des hydropobes orientées vers les liposomes lipique/membranne
• chaines laterales hydrophides orientée vers intérieur sonneau ; le translocase des mitochondries est :
• TOV(Translocase Of the Outer Membrane)
• TVM(Translocase of the Inner Membrane)

Protéines Transmembranaires a Ancre Lipidique :

• Les ancres lipidales conferent cette grande mobilité aux protamines membranaires ; Permet une diffusion plus rapide de protamines les la bicouch lipidique. -protamines importantes dans le signalisation cellulaire.
• les protéines sont sur la face cytosolique dans un simple ancre :
  • est un acide gras , soit est un acide palmistique ou mirisotylée groupe promyl la Protamine s’insère dans la membrane seulement lorsqu’il se retrouve suis en forme GPP
• *Ancre GBP sur une facette extracellullair
• *glycès dans la signalisation

Extraction des Protéines Transmembranaires:

• utilisation detergence.

• permet de caser la membrane

• induit une perte de fonction en épingle a cheveux de ancrage de la protamine

• Isolement et purification utilisable unifiant des solutions salines / des des déviations ph

• Extraction san Destruction de membrane de protaminerie: la fonction es structure protamine. Nombreuses protéines glycosylés : chaînes dégresses branchées font un lien entre des types de protamines glissée

• Chaînes de Sucres branchés de façon covalente est unique : sur la facette externe du Membrane asymétrique

-Protamine glissée sont bloque , Glissée linear

Protamines transgéniques:

- Porte des chaînes latérales d’ oligosaccharides toujours  ramifieés
-  Concentre la majoritée  de glucides
-  Est réalisé lors de biosynthèses des Protamines :Commençant dans le RE

• Poursuit dans appareils de Galba

Début dans le Galbi