Biologie Cellulaire: Les Membranes - Cours nr 6 - A2024 - PDF

1 Biologie cellulaire Cours nr 6: Les membranes, partie I  2 La cellule est PLEINE de membranes Compartiments intracellulaires...

1 Biologie cellulaire Cours nr 6: Les membranes, partie I  2 La cellule est PLEINE de membranes Compartiments intracellulaires = organites entourés de membranes Chez les eucaryotes, les membranes représentent environ 50% de la masse sèche de la cellule. Pourquoi autant?  3 Pourquoi avoir des membranes? Protection Rangement (compartiments) Communication (signalisation)  4 Transport dans la cellule Comment faire passer des molécules entre la cellule et l’extérieur? Entre les compartiments intracellulaires? EXAMEN 1. Canaux et pores ➔ “trous” dans la membrane 2. Transport vésiculaire ➔ échange de contenu entre compartiments  5 EXAMEN Transport vésiculaire Ce transport se fait par fusion des compartiments membranaires. Exocytose Endocytose Molécule transportée Cytoplasme organite Milieu extérieur La lumière des compartiments membranaires est donc équivalente à au milieu extérieur de la cellule.  6 EXAMEN Transport vésiculaire La fusion des vésicules/compartiments est possible car les membranes sont fluides et peuvent se mélanger. Compartiment Compartiment de départ Molécule transportée dans la lumière du compartiment d’arrivée Protéine membranaire Vésicule de transport Le transport vésiculaire a donc 3 fonctions: 1) Transport du cargo dans la lumière, 2) transport des protéines membranaires, 3) échange de membrane entre compartiments (e.g. régénération de la membrane plasmique)  7 EXAMEN Fonctions des organites La fonction des organites dépend en grande partie de leur forme et de leur position dans la cellule. Réticulum endoplasmique citernes du Golgi (trans) citernes du Golgi (cis) vésicules citernes du Golgi (trans) du Golgi (median)  8 Fonctions des organites Question de réflexion: Que pouvez vous déduire de… a) La position d’un organite? Proximité avec le noyau? Proximité avec la membrane plasmique? Situé entre deux autres organites? Voir test hebdomadaire  9 Fonctions des organites Question de réflexion: Que pouvez vous déduire de… b) La forme d’un organite? membrane Quel est le rapport entre la Cytoplasme surface et le volume de l’organite? Voir test hebdomadaire  10 Fonctions des organites Question de réflexion: Que pouvez vous déduire de… c) La taille d’un organite? Quel est le rapport entre la surface et le volume de l’organite? membrane Quel est le coût énergétique pour la cellule de produire et maintenir cet organite? Cytoplasme Si des organites de tailles différentes fusionnent, quel sera l’effet sur les concentrations à l’intérieur des organites? Voir test hebdomadaire  11 Que veut-on d’une membrane? Plane (2 dimensions) Fermée Imperméable Laisse passer certaines choses Flexible (fluide) Auto-cicatrisante Face différente à l’intérieur et à l’extérieur Membranes bien séparées les unes des autres  12 Comment faire des membranes? EXAMEN Planes, imperméables, fluides, auto-cicatrisantes etc... avec des molécules? Ces propriétés des membranes peuvent s’expliquer avec quelques concepts moléculaires de base: Liaisons non-covalentes Conformation des molécules Agitation thermique  13 EXAMEN Concept: Propriétés émergentes Application de règles simples à de nombreux éléments → phénomène complexe Exemples: les nuées d’étourneaux Les oiseaux suivent trois règles simples: 1) ne pas s’approcher trop des voisins 2) rester proche d'un autre oiseau ou du centre du groupe. 3) voler dans la même direction que les voisins. Réflexes à avoir: Je vois un phénomène complexe → Quels principes de bases pourraient expliquer ce phénomène? J’apprends un principe de base → Quelles sont les conséquences de ce principe?  14 Rappel sur l’agitation thermique Plus la température augmente, plus les atomes s’agitent rapidement (plus leur énergie cinétique est grande).  15 Rappel sur les liaisons non-covalentes Énergie de liaison (kJ/mole) Faibles individuellement, mais importantes quand elles sont très nombreuses.  16 Comment faire une membrane plane et fermée? Les phospholipides  17 Composition de la membrane EXAMEN Membrane = Moitié lipides, moitié protéines. 3 classes de lipides amphiphiles: Phospholipides (les + abondants, 50% des lipides ou plus) Stérols (un peu moins que 50%) Glycolipides (environ 2%)  18 La membrane est plane et fermée Les queues hydrophobes « préfèrent » se Lipide amphiphile toucher que de toucher l’eau (du grec amphi = double) Tête hydrophile micelle Queue eau hydrophobe membrane  19 EXAMEN La membrane est plane et fermée La membrane se referme spontanément (G < 0), car cela minimise le contact de ses bords avec l’eau. liposome micelle  20 Lipides amphiphiles Exemple de phospholipide: phosphatidylcholine ( = lécithine) Tête hydrophile Taille de la queue Queue variable: hydrophobe 14 à 24 carbones EXAMEN  21 Interactions entre phospholipides Liaisons hydrogènes H2O (entre molécules polaires) Liaisons de Van der Waals (entre molécules non polaires)  22 Interactions entre phospholipides EXAMEN Liaisons hydrogènes H2O (entre molécules polaires) Liaisons de Van der Waals (entre molécules non polaires) Liaisons vs agitation thermique https://fr.wikipedia.org/wiki/Bicouche_lipidique  23 Les principaux lipides des membranes Les phospholipides sont séparés en deux classes: Phosphoglycérides Sphingolipides Ces 4 exemples représentent la moitié des lipides Queue: des cellules de 12 à 24 mammifères carbones EXAMEN  24 Les principaux lipides des membranes La composition lipidique varie entre espèces, entre types de cellules et entre organelles. Les eucaryotes contiennent des lipides beaucoup plus variés que les procaryotes. Pourquoi?  25 Comment faire une membrane auto-cicatrisante?  26 Que se passe-t-il avec les trous? Vrai? Faux?  27 La membrane est auto-cicatrisante Les phospholipides dans l’eau s’auto-organisent en double membrane, à cause de l’agitation thermique et de l’interaction entre l’eau et les queues hydrophobes. Simulation informatique: EXAMEN https://youtu.be/lm-dAvbl330  28 Importance de la queue hydrophobe La conformation de la queue hydrophobe décide de la courbure que peut prendre la membrane ou le micelle. Une seule queue eau hydrophobe Micelle: → très courbé sphère Deux queues Membrane: hydrophobes 2 feuillets → peu courbé ou plat EXAMEN  29 À chaque phospholipide sa courbure Deux courbures: Nécessite deux types de phospholipides différents!  30 Comment faire une membrane semi-perméable? (qui ne laisse passer que certaines molécules)  31 La couche de phospholipides est imperméable Longues queues hydrophobes → très faible probabilité qu’une molécule d’eau traverse la membrane. Simulation informatique: EXAMEN Molecular biology of the cell, 6th edition (video 10.3)  32 EXAMEN La membrane est semi-perméable Les petites molécules hydrophobes (ex. O2, CO2) traversent la double couche de phospholipides spontanément (G < 0). Protéine canal Très faible probabilité qu’une molécule d’eau traverse la membrane (G > 0). La membrane a donc des canaux spéciaux pour transporter l’eau. Voir test hebdomadaire du cours nr 1  33 Comment faire une membrane flexible et fluide?  34 La membrane est flexible Peut-on faire une membrane plasmique en caoutchouc? 100 m Lacrymaria (protozoaire) et son cou extensible  35 La membrane est flexible et fluide La membrane n’est pas seulement flexible comme du caoutchouc, elle est aussi fluide comme un liquide! Expérience pince optique sur neurone: Molecular biology of the cell, 6th edition (video 10.2) EXAMEN  36 La membrane est flexible et fluide La fluidité de la membrane permet à la cellule de se déplacer en se déformant très fortement. 10 m Neutrophile poursuivant une bactérie dans le sang: Molecular biology of the cell, 6th edition (video 10.2)  37 Les mouvements de la membrane La fluidité de la membrane est due à la diffusion latérale des lipides, qui « glissent » les uns par rapport aux autres. Diffusion latérale (très rarement) EXAMEN  38 Les mouvements de la membrane En comparaison, un gel (par ex. le caoutchouc, ou le collagène dans la matrice extracellulaire) est seulement élastique, mais pas fluide, car les molécules ne glissent pas les unes sur les autres. Membrane de phospholipides: Gel (ex. collagène): flexible et élastique flexible et fluide Diffusion latérale (très rarement) Étirement des molécules  39 La membrane est un fluide en 2D Expérience: formation d’une cellule hybride par fusion de deux cellules T = 0 min T = 40 min dans le vert dans le rouge EXAMEN  40 Quantifier la fluidité de la membrane Technique FRAP (Fluorescence Recovery After Photobleaching) avec microscope confocal t1/2 Revoir cours sur la microscopie EXAMEN  41 Fluidité et conformation des acides gras acides gras saturés Cristallisation insaturés en cis liquide ou insaturés en trans (solide) saturé trans cis Stearic acid Elaidic acid Oleic acid saturé Insaturé en trans Insaturé en cis EXAMEN  42 Fluidité et conformation des acides gras acides gras saturés solide insaturés en cis liquide ou insaturés en trans Tête hydrophile Queues hydrophobes Plus de liaisons Van der Waals entre Moins de liaisons Van der Waals entre les queues ➔ plus stable les queues ➔ moins stable EXAMEN  43 Comment réguler la fluidité? La fluidité augmente avec la chaleur (agitation thermique). Si les phospholipides bougent trop, des trous se forment et l’eau peut passer à travers la membrane. Tête hydrophile Queues hydrophobes https://fr.wikipedia.org/wiki/Bicouche_lipidique EXAMEN  44 Comment réguler la fluidité? Solution: boucher les « trous » entre les phospholipides avec des stérols ➔ Augmente la stabilité de la membrane à haute température. EXAMEN  45 Comment réguler la fluidité? Les stérols stabilisent la membrane en limitant le mouvement des queues hydrophobes.. Molecular biology of the cell, 6th edition (video 10.3)  46 Comment réguler la fluidité? les mouvements thermiques des queues hydrophobes à haute température sont réduits grâce aux stérols. La membrane est plus ordonnée, plus épaisse, plus rigide, plus étanche. Sans cholestérol Avec cholestérol EXAMEN  47 Comment réguler la fluidité? Solide, basse température Fluide, haute température Transition de phase À basse température, les phospholipides « gèlent ». À haute température, ils deviennent trop fluide.  48 Les stérols régulent la fluidité A haute température, les stérols stabilisent la membrane. EXAMEN A basse température, les stérols fluidifient de la membrane. Solide, basse température Fluide, haute température Transition de phase + Choléstorol + Choléstorol Fluide ordonné à basse et haute température Les stérols sont les amis des membranes!  49 Composition de la membrane et fluidité Les stérols sont (presque) partout Hopanoid Phytostérol Ergostérol Cholestérol  50 Composition de la membrane et fluidité La bicouche des Archées est différente du reste du monde vivant.  51 Composition de la membrane et fluidité Les Archées peuvent vivre dans des conditions extrêmes grâce à la stabilité de leurs membranes. Les queues hydrophobes de leurs phospholipides sont de longues chaînes d'alcool isoprénique, qui forment plus de liaisons non-covalentes entre elles que les acide gras. EXAMEN Archées Eubactéries  52 On vient de voire… Comment faire une membrane: ✓Plane (2 dimensions) ✓Fermée ✓Semi-perméable ✓Flexible et fluide ✓Auto-cicatrisante Bien séparées les unes des autres Face différente à l’intérieur et à l’extérieur  53 Comment faire des compartiments et de la signalisation avec les membranes? Après la pause…  54 Pourquoi… … les membranes doivent rester séparées entre elles? Rangement (compartiments) → Empiler les vésicules sans les mélanger!  55 La tension de surface EXAMEN Comme les bulles de savons, les membranes lipidiques ont une tension de surface qui dirige leur forme à l’équilibre. Hors équilibre: forme non-sphérique Équilibre: forme sphérique Rapport surface/volume minimal ➔ tension minimale  56 La tension de surface Une fois collées, les bulles (ou vésicules) fusionnent pour minimiser le rapport surface/volume total. Comment garder des vésicules bien séparées, qui ne fusionnent pas toutes ensemble?  57 Les membranes sont bien séparées Il y a toujours de l’eau autour des groupes polaires (tête) à cause des liaisons H entre l’eau et les têtes hydophiles. Les membranes ne peuvent donc pas fusionner spontanément (fusion: G > 0). Liposomes EXAMEN  58 Les membranes sont bien séparées La fusion des organites se fait de manière contrôlée, grâce à des protéines spécialisées (de la famille SNARE), qui enlèvent la couche d’eau entre les deux membranes. membrane membranes Protéines SNARE Protéines SNARE membrane EXAMEN  59 Communication (signalisation) Comment faire une face externe (adresse) et une face interne différente pour le transport vésiculaire?  60 La membrane a deux faces bien distinctes Les flips sont rares entre les deux faces. Cela permet de contrôler la composition séparément de chaque côté. exemple: globules rouges humains Espace extra-cellulaire (ou lumière des organites, selon le cas) Phosphatidyl- Sphingomyeline Glycolipide (toujours sur face externe) choline Phosphatidyl-etanolamine Phosphatidyl-serine (toujours sur face interne) Espace intra-cellulaire (cytosol) EXAMEN  61 Comment synthétiser deux faces? Les phospholipides sont synthétisés dans le cytosole, près du réticulum endoplasmique lisse (sER). Ils sont incorporés dans la membrane du sER. Des vésicules se séparent du réticulum, migrent et fusionnent avec d’autres membranes (golgi, cytoplasme, endosomes) pour les régénérer. EXAMEN  62 Comment synthétiser deux faces? (extérieur du réticulum) Membrane du réticulum endoplasmique (intérieur du réticulum) Synthèse de phospholipides, ajoutés à la face cytosolique du réticulum endoplasmique. Une seule face de la membrane s’étend! Mécanisme d’égalisation des deux faces. EXAMEN Les nouveaux phospholipides sont intégrés aux deux faces.  63 Comment synthétiser deux faces? Scramblase: protéine membranaire responsable de la translocation des phospholipides entre les deux feuillets de la membrane. Gradient de concentration Mécanisme d’égalisation des deux faces → Scramblase Non spécifique, agit sur tous les phospholipides. Transporte les phospholipides en suivant leurs EXAMEN gradients de concentration (plus concentré vers moins concentré).  64 Comment organiser les deux faces? Protéines membranaires responsables de la translocation des phospholipides. Aminophospholipide Phosphatidylcholine Cholestérol Sphingolipide Gradients de concentration externe externe interne interne spécifique spécifique Non spécifique Question: quelles protéines de translocation ont besoin d’ATP? Pourquoi?  65 Comment organiser les deux faces? Protéines membranaires responsables de la translocation des phospholipides. Aminophospholipide Phosphatidylcholine Cholestérol Sphingolipide Gradients de concentration externe externe ATP ATP interne interne EXAMEN L’ATP fournit l’énergie pour transporter les lipides à contre-courant du gradient.  66 Pourquoi deux faces? La conformation des phospholipides favorise l’endocytose ou l’exocytose, si ils sont placés du bon côté. EXAMEN  67 Pourquoi avoir deux faces différentes? Exemple du rôle de la phosphatidylsérine (PS) sur la face interne EXAMEN Recruter des Faciliter l’exocytose ou Communication entre protéines pour la l’endocytose cellules signalisation ex: lors de la mort cellulaire interne La scramblase reste active protéines avec Recruter des chaine latérale Le regroupement complexes PS sur la face externe hydrophobe (ex de protéines Ras, Rho et de PS aide à Src) courber la pour le trafic membrane vésiculaire « Je suis morte, La charge négative de la PS permet d’activer la mangez-moi» Protéine kinase C (PKC)  68 Quel genre de membrane? Plane (2 dimensions) ✓ Fermée ✓ Semi-perméable ✓ Flexible et Fluide✓ Auto-cicatrisante ✓ Qui fusionne de façon contrôlée ✓ ✓ Face différente à l’intérieur et à l’extérieur Tout cela avec quelques principes de biochimie!  69 Protéines membranaires Après la pause…  70 Protéines membranaires Protéines constituent 50% de la masse de la membrane. 30% des gènes animaux codent pour des protéines membranaires! Forme et position des protéines dans la membrane ➔ fonction des protéines  71 Les acides aminés composent les protéines Chaque acide aminé (a.a.) a la même structure de base. Groupe fonctionnel: différent pour chaque a.a. Hydrophobe ou hydrophile, neutre ou chargé Groupe amine: NH2 ou NH3+ selon Groupe carboxyle: le pH. COOH ou COO- selon le pH. Dans le cytoplasme, tous les acides aminés isolés sont hydrophiles EXAMEN  72 Formation des protéines EXAMEN Formation d’une liaison peptidique entre a. a. Acide aminé Liaison peptidique  73 Les acides aminés composent les protéines Chaine chargée positivement négativement Les 21 acides aminés sont dits hydrophobes ou hydrophiles en fonction de leur chaines latérale. Chaine polaire Cas spéciaux EXAMEN Chaine hydrophobe (8 sur 21 acides aminés)  74 Protéines Composées de longues chaînes d’acides aminés qui se replient à différents niveaux. chaines latérales Structure tertiaire Acide aminé Structure primaire EXAMEN Structure secondaire Structure quaternaire  75 Protéines transmembranaires On a besoin d’environ 20-30 acides aminés pour traverser la a.a. hydrophobes membrane de 5 nm  76 Domaine hydrophobe: hélice  L’index d’hydropathie est calculé pour une fenêtre de 10 acides aminés continus. Cette fenêtre est déplacée le long de la séquence pour déterminer les endroits qui pourrait être des hélices  hydrophobes.  77 Domaine hydrophobe: hélice  Dans l’hélice , les chaînes latérales non polaires sont orientées vers l’extérieur. EXAMEN Structure de l’hélice stabilisée par liaisons hydrogène entre acides aminés.  78 Domaine hydrophobe: feuillet  Brin β = chaîne formée de 3 à 10 acides aminées. Les brins β sont reliés latéralement par des liaisons hydrogène entre les atomes de la chaine principale. Les brins β forment un feuillet β en forme d’accordéon.  79 Domaine hydrophobe: feuillet  Feuillet replié forme un « tunnel ». Extérieur = Hydrophobe EXAMEN Intérieur = Hydrophile  80 Protéines membranaires Les protéines membranaires sont amphiphiles: une partie hydrophobe, l’autre hydrophile. Le domaine hydrophobe décide de la position dans la membrane. Feuillet Beta 1 alpha plusieurs hélice hélices + acide alpha 1 alpha gras hélice EXAMEN repliée  81 Protéines membranaires Les protéines membranaires peuvent êtres ancrées à la membrane avec un phospholipide. glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor acide gras attaché  82 Protéines membranaires Les protéines périphériques ne sont pas attachées directement à la membrane lipidique, mais à d’autres protéines. EXAMEN  83 Protéines transmembranaires Domaine hydrophobe entouré pas des domaines hydrophiles ➔ protéine qui traverse la membrane Différentes fonctions possibles: Récepteur Ancrage Enzyme Transport EXAMEN  84 Protéines transmembranaires L’orientation de la protéine dans la membrane est spécifique: - Reste la même depuis l’insertion dans la membrane du réticulum endoplasmique - Différentes fonctions entre le domaine cytosolique et le domaine non-cytosolique  85 Protéines de transport Les feuillets beta peuvent former des canaux de différentes tailles pour laisser passer des molécules hydrophiles. Extérieur = Hydrophobe Intérieur = Hydrophile EXAMEN  86 Protéines de transport Les canaux et les transporteurs sont spécifiques.  87 Organisation des protéines membranaires Reprendre le cours ici  88 Protéines de signalisation Les protéines doivent se mettre en groupe pour former une cascade de signalisation.  89 Protéines de signalisation Comment interagir dans une membrane fluide? Libre diffusion = peu d’interaction Diffusion limitée = plus d’interactions  90 Protéines & « lipid rafts » Les « lipid rafts » permettent de se regrouper ou se séparer dans une membrane fluide.  91 Protéines et lipides interagissent Les «lipid rafts» sont formés par de faibles interactions protéine- protéine, protéine-lipide et lipide-lipide. Atomic Force Microscopy Sphingomyéline Protéine Bichouche synthétique EXAMEN  92 Protéines & « lipid rafts » La composition différente des radeaux lipidiques peut changer la courbure de la membrane et faciliter l’endocytose. Cavéole Radeau lipidique plan EXAMEN  93 Domaines de la membrane La position des protéines membranaire est spécifique. Contraste Immuno Méthode: EXAMEN de phase fluorescence immuno-localisation des protéines Anticorps primaire Protéine « X » dirigé contre « X » Ex: Sperme de mammifère. Tête (partie membrane antérieure) Tête (partie postérieure) membrane Anticorps secondaires dirigés contre les Queue anticorps primaires Marqueur fluorescent  94 Domaines de la membrane La position des protéines membranaire dépend de leur fonction. Epithélium: assymétrie Neurone: transmission synaptique basale/apicale  95 Domaines de la membrane Les cellules épithéliales sont liées ensemble par une jonction étanche qui divise les cellules en deux parties: apicale et basolatérale. Diffusion du colorant Diffusion du colorant  96 Domaines de la membrane Les protéines membranaires ne peuvent pas diffuser à travers les jonctions étanches. Côté apical EXAMEN Côté basolatéral  97 Domaines de la membrane La jonction étanche est formée par des protéines transmembranaires formant une ceinture du côté apical. Cryofracture Coupe mince  98 Domaines de la membrane Les protéines qui font des jonctions étanches ont des domaines extracellulaires auto-complémentaires.  99 Domaines de la membrane Les filaments du cytosquelette peuvent aussi limiter la diffusion des protéines. Ex. spectrine dans les globules rouge EXAMEN  100 La membrane est un fluide… organisé Les protéines membranaires ne bougent pas librement! Radeaux, agrégats Liens avec des Orientation fixe filaments… Extérieur Barrières … du cytosquelette Intérieur EXAMEN … de la matrice extra-cellulaire  101 Pour aller plus loin Chaîne Physics Girl Seven Science Experiments with Surface Tension Chaîne Veritasium Why Do These Liquids Look Alive?