Les membranes biologiques PDF

Les membranes biologiques **Les membranes lipidiques ** ============================= Interactions hydrophiles et hydrophobes  ---------------------------------------- [Électronégativité] = grandeur physique qui mesure la capacité d'un atome à attirer les électrons quand il forme une liaison avec...

Les membranes biologiques **Les membranes lipidiques ** ============================= Interactions hydrophiles et hydrophobes  ---------------------------------------- [Électronégativité] = grandeur physique qui mesure la capacité d'un atome à attirer les électrons quand il forme une liaison avec un autre atome **H~2~O** : l'atome O (charge négative) est plus électronégatif que H (charge positive) à il attire donc les e- d'hydrogène vers lui **Conséquence** : la molécule d'eau a des fractions de charge positives et négatives et c'est donc une **molécule polarisée**. Des séparations de charges d'un côté à l'autre Liaison hydrogène L'oxygène attire les électrons et crée des liaisons **électrostatiquespas stables** (ne reste pas accroché en permanence) -\> **pas covalentes** Ces liaisons hydrogènes se produisent entre toutes les molécules d'eau en solution. Si on ajoute une autre molécule contenant des **atomes O ou N**, donc qui possèdent une charge (des zones positives et négatives)(polaire), il y a formation de **liaisons polaires** (on aura une fraction de charge négative sur l'oxygène et sur l'azote) ce qui provoque des liaisons hydrogènes entre cette molécule et la molécule d'eau Une **molécule avec de l'oxygène ou de l'azote est polaire** Si on ajoute une molécule qui n'a que du **carbone et de l'hydrogène**, le carbone n'aura pas de liaison hydrogène avec l'eau car elle n'a pas de fractions de charge (non-polaire). L'hydrogène attire moins les électrons que ce qu\'attire l'oxygène. *NB : [azote (N)] et [oxygène (O)] sont les deux molécules électronégatives retrouvées en biologie vivante, il y a évidemment pleins d'atomes électronégatifs dans la matière.* Tension superficielle --------------------- - Les molécules d'eau sont attirées vers l'intérieur - C**rée une sorte de barrière à l'extérieur** (ne se disperse pas)les molécules restent accrochées entre elles - Il y a une tension superficielle dans la paroi de la goutte d'eau qui **maintient la forme de la goutte** Molécule **hydrophile** (qui aime l'eau) ---------------------------------------- Molécule capable de faire des **liaisons hydrogène avec l'eau** grâce aux **atomes O et N** Lorsque la molécule est entourée de molécules d'eau, elle est **en solution**. -\> se polariser avec l'eau Il y a donc des interactions hydrophiles qui rendent la protéine **soluble** (qui peut se dissoudre dans un solvant approprié, un liquide ou un corps liquéfié) [Ex] : **saccharose**se dissout car chaque molécule de ce sucre fait des liaisons avec l'eau (une molécule de sucre possède des atomes d'O) *NB : Les liaisons se font et défont en permanence ce qui donne un état fluide.* Molécule **hydrophobe** (peur de l'eau) --------------------------------------- Molécule **incapable de faire des liaisons hydrogènes** avec les molécules d'eau. Les **molécules d'eau font des liaisons entre elles** mais pas avec les molécules hydrophobes ([ex] : les hydrocarbures (contiennent seulement C et Hex : essence) sont hydrophobes). On assiste à **l'exclusion de la phase aqueuse** des molécules hydrophobes Toutes les molécules hydrophobes se font exclure et **interagissent entre elles** Par conséquent, les molécules hydrophobes auront des **interactions Van der Waals** entre elles Solvant organique : l'éthanol ----------------------------- [Déf solvant organiqe]: Composé chimique (généralement liquide) contenant du carbone utilisé pour dissoudre d'autres substances L'éthanol (partiellement polarisé) a les mêmes propriétés que l'eau. On peut **dissoudre** des molécules **hydrophiles**mais **moins bien que dans l'eau**car moins polaire que l'eaumais c'est tout de même possible car l'éthanol a une partie hydrophile OH **Molécules hydrophiles [et hydrophobes] se dissouent dans l'éthanol** Si on y met des molécules **hydrophobes**, elles vont se **dissoudre** aussi, car l'alcool a une partie hydrophobe (non polarisée) [ex] : si on met goutte d'alcool sur la table elle va s'étaler car moins bonnes liaisons entre molécules d'éthanol Mettre sucre -\> se dissout Éthanol -\> hydrophobes vont flotter dans la phase avec de l'éthanol Propriétés des lipides biologiques  ----------------------------------- **Les lipides biologiques :** ce sont des molécules insolubles dans l'eau mais **solubles dans les solvants organiques**. Partie hydrophobe -\> pas soluble dans l'eau Exemple -\> alcool ADN : hydrophile Sucre : se dissout Lipides : hydrophobes -\> comportement différent (Ex : dans éthanol ou lipides dans huile d'olive = se mélange) Les triglycérides (huile d'olive)lipides de stockage (pas d'interaction H) **Définition** : triester **d'acide gras** (acide oléique) et de **glycérol** Une molécule de glycérol (avec OH) est attachée à un acide gras Grâce à [l'estérification] **Formation **: 1. Faire réagir la fonction acide de l'acide gras sur la fonction alcool du glycérol 2. Attacher 3 molécules d'acide gras sur chacune des fonctions alcool du glycérol **Composition **: 2 parties : - **Partie hydrophobe : C et H uniquement** - **Partie hydrophile : contient un peu de O** Un triglycéride est une molécule **majoritairement hydrophobe**. Les triglycérides ne **font donc pas d'interaction avec les molécules d'eau** ce qui provoque leur exclusion de la phase aqueuse. [Ex] : si on met molécule d'huile dans l'eau (exclusion de la phase aqueuse) - Différence est la taille de la chaine latérale hydrophobe et les liaisons -\> propriétés ### ### ### ### ### Émulsion  - Solution contenant des **microgouttelettes** **en** **suspension**. Dans chaque gouttelette, il y a un paquet de triglycérides (dans tous les sens) (Si on laisse reposer le mélange, les gouttelettes se reforment) - Jaune d'œuf avec la lécithine -\> partie hydrophile et hydrophobe *Ex : Vinaigrette* \- phase aqueuse : vinaigre \- triglycéride : huile à on observe une émulsion si on agite suffisamment le mélange si on mélange bien il y aura des microgoutelette (émulsions) **Quand on arrète de mélanger les gouttelettes se remettent ensemble** Absinthe : 40% + d'éthanol - Molécule hydrophobe (anéthol) - Beaucoup d'éthanol et un peu d'eau - Hydrophobe en solution - Mettre eau dedans -\> émulsion **Équivalent dans notre organisme **: **Adipocyte **: cellule qui **contient des triglycérides** sous forme d'énorme **gouttelette** **lipidique** - **Nombre constant mais taille varie** Ce type de cellule a pour fonction de stocker de l'énergie. Une gouttelette lipidique au centre Il n'y a **pas de membrane** qui tient ensemble les triglycérides à l'intérieur de la cellule (dans le cytoplasme). C'est **l'exclusion des triglycérides** de la phase aqueuse qui les maintient ensemble (donc entourés du cytoplasme) on grossit car la taille des adipocytes augmente (pas plus de goutte juste plus grandes) Les acides gras (capable de faire des liaisons H) ------------------------------------------------- **Composition **: Longue **chaîne d'hydrocarbures** hydrophobes. Sur le C-terminal se fixe un groupement acide carboxylique hydrophile (chargé négativement). Partie hydrophobe + hydrophile = **molécule amphiphile** ([Déf][ :]équivalent à **amphipathique**possède une partie hydrophile et hydrophobe) Cette molécule, contrairement aux triglycérides, a **une partie hyper hydrophile** chargée qui est capable de faire **des liaisons hydrogènes.** **Formation **: Acides gras obtenus à partir de triglycérides par la réaction de **saponification**. Réaction **inverse de l'estérification** qui relâche les acides gras des glycérols. Quand on met un acide gras dans de l'eau il se passe deux effets contradictoires liés à sa caractéristique amphiphile : Le seul arrangement possible est la formation de **micelles d'acides gras** : à Parties hydrophiles établissant des liaisons hydrogène avec l'eau à Parties hydrophobes regroupées à l'intérieur Micelle (micelle d'acides gras) Boule de lipides dont les parties **hydrophobes** sont à **intérieur** et les parties **hydrophiles** à la **périphérie**former liaisons H On ne peut plus **faire des énormes amas comme les triglycérides**, mais **seulement des petites structures.** *NB : Dans un milieu à pH basique, il y a un COO- (très chargé) dans la partie acide de l'acide gras, et donc cette partie reste hydrophile mais dans pH acide cette partie perd son hydrophilie.* **Principe du savon **: Il **contient des acides gras qui forment des micelles** capables de venir au contact des graisses. Chaque micelle **capture en son milieu** quelques molécules hydrophobes (la saleté des mains) Pour un savon classique, **la partie hydrophile de l\'acide gras** est une fonction **acide**. on se brule les mains si on se lave les mains trop souvent Pour qu\'elle soit chargée (hydrophile), il **faut que le pH soit [basique]** (peu de protons) Pour une molécule de synthèse comme le **sodium dodecylsulfate (SDS)**, la partie hydrophile est chargée **quel que soit le pH**, ce qui permet de l\'utiliser à pH acide, moins agressif pour la peau.  Acide gras -\> fonctionne à pH basique Les phospholipides (capable liaisons H) --------------------------------------- **Composition :** **Glycérol** lié à **deux chaînes d'acide gras** et à un groupement **phosphate** (hydrophile parce qu'il est très chargé) à Phospholipides = glycérol + 2 acides gras + 1 phosphate **Les micelles de phospholipides ne se créent pas spontanément** (compliqué à cause de la taille de la partie hydrophobe très grande de la molécule). **Sont amphipatiques (phobe et phil)** Plein de variations et plein de propriétés selon la taille des deux parties Organisation des phosphatidylcholines ----------------------------------------------------------- **Il existe de nombreuses configurations de phospholipides** (on peut rajouter des molécules sur le phophate par exemple phosphatidylcholine = **ajout de choline** sur le phosphate) - Ajouter sucre -\> lipide amphipathique - Sucre hydrophile et un cœur hydrophobe Ici on voit que les acides gras sont trop longs pour former des beaux micelles - Pas la conformation la plus stable - Complications au milieu Bicouche lipidique (formé par phospholipides) --------------------------------------------- **2 feuillets : interne + externe (épaisseur totale 3-4nm)** Deux couches/rangées de lipides Ce sont deux rangées de phospholipides avec leur partie **hydrophile à l'extérieur**, qui interagit avec la phase aqueuse, et leur partie **hydrophobe cachée à l'intérieur** de cette bicouche. **Toutes les membranes** sont composées de cette structure. Forme une boucle. Les stéroïdes  Les stéroïdes sont des **groupes de lipides dérivés des cholestérols.** [Ex du cholestérol :] **Composition **: C, H et petite partie hydrophile à légèrement **Amphipathique** Le cholestérol (est un type de lipide) est un composant essentiel à **l'étanchéité** de nos membranes. Pour ce faire, il vient se disposer dans la bicouche avec sa partie OH hydrophile du côté de la phase aqueuse et sa partie hydrophobe à l'intérieur de la bicouche. - **Se met entre les molécules de phospholipides** Structure des membranes ----------------------- La **membrane plasmique** autour des cellules est toujours faite d'une bicouche lipidique. Il y a pleins de compartiments internes dans la cellule délimités par des membrane de même structure. **Cytosol** : liquide entre compartiments intracellulaires présents à l'intérieur des cellules, pure phase aqueuse **prend pas les compartiments intracellulaires en compte** **Cytoplasme** : liquide qui contient tout ce qui se trouve dans la cellule, ce qui - **Inclut les compartiments intracellulaires (cytosol) et l'intérieur des organites** *Le **repliement des protéines** est de même principe : pour qu'elle soit soluble, on cache les acides aminés hydrophobes à l'intérieur de la protéine. Ainsi elle s'intègre dans l'élément aqueux qui l'entouredonc soluble* - *Acides aminés non polaires -\> hydrophobes*  - Feuillet externe fait face à l'exterieur de la cellule - Limite de la résolution du microscope électronique - Feuillet interne cytosol **Les protéines membranaires ** =============================== Protéines transmembranaires ou périphériques -------------------------------------------- La membrane lipidique dans une cellule n'est pas faite que de lipides car **des protéines s'y associent. ** [Trois associations possibles de protéines avec la membrane : ] 1. Attachement de la protéine directement **sur un lipide**, peu importe qu'elle soit dans feuillet interne ou externe. Elle est donc **ancrée** dans la membrane. - **Covalente -\> hydrophile** 2. Protéines qui traversent totalement la bicouche lipidique. Elle est alors composée de 3 parties : interne, externe et **transmembranaire**. Ces 2 types sont appelées **protéines intégrales de la membrane** car elles en font partie. 3. **Protéine** **périphérique** du côté externe ou interne : protéines qui viennent **interagir** de manière non-covalente (pas formation de liaison chimique forte) avec une **protéine** **transmembranaire** (protéine couplée a une protéine) pas intégrale car ne fait pas partie de la membrane Domaine transmembranaire  ------------------------- **Définition **: partie d'une protéine transmembranaire simple (de type I) qui traverse la membrane. - Certaines protéines ont plusieurs domaines transmembranaires **Composition type d'une protéine transmembranaire **: - Domaine **extracellulaire ou luminal** - Domaine **transmembranaire** - Domaine **cytosolique** Le domaine transmembranaire est soumis à des contraintes inhabituelles car il doit traverser la **zone hydrophobe de la bicouche lipidique**. De manière générale, **une protéine est très hydrophile** mais elle peut avoir des chaînes latérales **hydrophiles ou hydrophobes.**  Pour la mettre en milieu hydrophobe, le segment qui traverse la partie hydrophobe doit donc **être composé d'acides aminés hydrophobes** (**valine, leucine** à C et H uniquement). **Attention **: la liaison peptidique (CONH) est [hydrophile] (N et O sont électronégatifs). La protéine doit aussi adopter **une conformation qui cache sa partie hydrophile constituée par la liaison peptidique**. -\> en passant par CH **Solution** : faire interagir entre elles les liaisons peptidiques en formant des liaisons hydrogènes. Cela engendre la **formation d'un cœur hydrophile**, pour obtenir cette conformation, la protéine doit adopter une structure en **hélice alpha**. - **Toutes les possibles liaisons hydrogènes sont prises** - Plus d'hydrogène à disposition ### ### Formation en hélice alpha  ### On cache la partie hydrophile de la protéine (la liaison peptidique) vers le centre de l'hélice alpha et à l'extérieur se trouvent la partie hydrophobe de la protéine avec les chaines latérales. Il y a stabilisation **avec des liaisons hydrogènes** (liaisons H contraignantes). La seule structure possible est une conformation en hélice alphapour pouvoir rentrer dans le domaine transmembranaire de la membrane lipidique **3.6** **A.A par tour et 0.54nm** **20 acides aminés à choix** ### Domaine transmembranaire en hélice alpha **Chaines hydrophobes de l'hélice sont à l'extérieur** et en contact avec les autres chaines hydrophobes des micelles. **On se demande tous qui tient la membrane ?\ -\> pas grand-chose -\> pas de liaison covalente** - Lipides pas attachés - Rien ne les empêche de sortir - **Lipides diffusent et se déplacent par diffusion latérale** Très fragile 20 acides aminés hydrophobes s'arrangent avec l'hélice alpha et traversent la membrane. **La mosaïque fluide ** ======================= Mobilité latérale ----------------- Rien n'empêche que les lipides ou les protéines transmembranaires se promènent dans le plan de la membrane, on parle alors de **diffusion latérale** **Les lipides et protéines se déplacent dans la membrane** La seule condition est qu'ils ne sortent pas de la membrane (la force de rappelle les retient) ne peuvent pas sortir de la membrane car **moins bien énergiquement** (coté hydrophobe) **[Expérience 1 : 2 cellules (souris, humaine) ]** Sur la surface de chaque de cellule, on dispose des protéines différentes. Puis on provoque la fusion des 2 cellules et la cellule obtenue est hétérocaryon (2 noyaux). Les **constituants de la membrane ne restent pas statiques** et il y a un mélange : **répartition des protéines et des lipides** sur le tour de la cellule pour homogénéiser la composition de la membrane. **Conclusion :** **Les molécules sont capables de se déplacer librement sur le pourtour de la membrane (latéral)** Photolyse et vitesse de diffusion --------------------------------- [Expérience 2 : **Photolyse laser (photobleaching)**] C'est une autre manière de mettre en évidence la **mobilité latérale** qui permet de mesurer à **quelle vitesse diffuse un constituant de la membrane**. On prend une cellule avec à sa surface la protéine transmembranaire qui nous intéresse. Des **anticorps** **fluorescents** reconnaissent le domaine extracellulaire de cette protéine. Puis, on incube les anticorps et les protéines transmembranaires afin que les anticorps se lient aux protéines. Avec un **faisceau laser puissant**, on illumine de manière intense une partie de la cellule ce qui provoque la **destruction de molécule fluorescentes de certains anticorps**. Ensuite, on observe à quelle vitesse le trou formé est bouché et recolonisé par les molécules fluorescentes restantes qui se répartissent autour. On peut faire une mesure de l'intensité de la fluorescence (courbe) pour calculer à quelle **vitesse** **diffuse** cette molécule. Restrictions à la mobilité latérale ----------------------------------- Dans cette structure de mosaïque fluide, où tous les **constituants** de la **membrane** se **déplacent**, il y a quand même quelques restrictions à la mobilité latérale. **4 types de limites à la diffusion latérale de certains composés :**  1. Attachement de la protéine transmembranaire à quelque chose de [stable à l'intérieur] de la cellule (**cytosquelette**) 2. Attachement de la protéine transmembranaire à qqch de [stable à l'extérieur] de la cellule (**matrice extracellulaire**) 3. Attachement de la protéine à **[d'autres protéines]** d'une cellule voisineon peut faire bouger les protéines importantes qu'on veut transmettre à une cellule voisine -\> capture dans zone de contact Ces 3 exemples représentent des cas où seules quelques protéines ne bougent pas. Cependant, il n'est pas possible que chaque composant d'une face soit attaché au cytosquelette. **Solution** : 4. **Barrière de diffusion** entre les faces** **: Les faces basales, apicales et latérales n'ont pas toujours la même composition car elles ont différentes fonctions selon les protéines qui s'y trouvent. **La barrière de diffusion n'est pas limitée à une protéine et ne restreint pas toute la mobilité** Cela permet de former à la surface de la cellule des **sous-domaines** par des compositions particulières dans des zones précises. *NB : sur imagetrois cellulesprotéines du haut restent en haut car cell très sérrées* **La jonction serrée -\> permet le contact entre les cellules / cote à cote / très serrée** **Remarques :** - Entre la face apicale et la face latérale : la jonction est produite par le contact entre les cellules qui bloque la diffusion latérale des lipides et protéines. - La barrière de diffusion doit faire tout le tour de la cellule pour qu'elle soit fonctionnelle. **Fonctions des membranes** =========================== **Barrière sélective **: Sépare un milieu hydrophile d'un autre milieu hydrophile avec un cœur hydrophobe (de la membrane) entre les deux (molécules chargées comme les ions, grosse molécule, acides aminés, glucose etc. ne passent pas car trop hydrophiles). Cependant, il y a des points de passage (canaux) qui permettent le **transport** **transmembranaire**. On veut séparer l'intérieur de la cell (hydrophile) et l'extérieur (aussi hydrophile) - **Passent par les protéines transmembranaires** -\> s'assemblent et forment un canal **Réception/conversion de signaux** : **Signal chimique** d'une molécule qui ne peut pas traverser, qui vient de **l'extérieur** de la cellule. Cela induit un autre **signal chimique** dans cellule (2^nd^ messager). Pour ce faire, il faut une molécule (récepteur) qui **transmet** **l'information** entre les deux milieux. Capter l'information et convertir le signal (réémettre signal à l'intérieur de la cell) **Contacts intercellulaires **: Contact entre les cellules ce qui forme les **tissus** Des zones de contacts Membrane = réception + conversion du signal Exemple du premier signal = facteur de croissance Du 2^e^ = phosphorylation