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UE 6 Structure et fonction de la cellule eucaryote La composition des membranes cellulaires D’après le cours du Dr D. Capellen 1 PLAN Introduction p3 1. Rôle des memb...

UE 6 Structure et fonction de la cellule eucaryote La composition des membranes cellulaires D’après le cours du Dr D. Capellen 1 PLAN Introduction p3 1. Rôle des membranes cellulaires p3 2. Structure des membranes cellulaires p4 Chapitre 1 : La bicouche lipidique p6 1. Structure et composition de la bicouche phospholipidique p6 2. Les sphingolipides, phosphoglycérides et stérols sont les principaux lipides des membranes cellulaires p6 3. Les phospholipides forment spontanément des bicouches p9 4. La bicouche phospholipidique est fluide p10 5. Variation de la proportion de lipides et de protéines dans la membrane p12 6. Effet de la composition lipidique sur la fluidité membranaire p14 7. Asymétrie de la bicouche membranaire p14 Chapitre 2 : Les protéines membranaires p17 1.Différents types de protéines p17 2. Différents modes d’association des protéines aux membranes p17 Chapitre 3 : Le transport membranaire p18 1. Différents types de protéines p18 2. Différents types de transports p19 Objectifs : Connaitre la structure et les principaux constituants des membranes des cellules eucaryotes Faire le lien entre composition, structure et fonctions des membranes des cellules eucaryotes 2 Introduction 1- Rôle des membranes cellulaires Une cellule eucaryote est subdivisée en différents compartiments fonctionnels : Sur cette image illustrative, on voit que la cellule eucaryote présentée est limitée par une membrane plasmique et à l’intérieur (=compartiment intracellulaire), on voit, appartenant au système endomembranaire : Le noyau délimité par une enveloppe constituée de deux membranes Le réticulum endoplasmique (granuleux et lisse), dont le granuleux est en continuité avec l’enveloppe du noyau L’appareil de golgi Et des vésicules : les lysosomes et endosomes Et en dehors du système endomembranaire : Les mitochondries avec, elles aussi, une enveloppe à deux membranes Les peroxysomes qui sont de petits organites limités par une membrane, cette fois, simple Les voies de trafic membranaire sont différentes entre les systèmes endomembranaire et non endomembranaire. Le compartiment intracellulaire (= compartiment cytoplasmique) est donc composé d'un hyaloplasme, milieu liquide contenant lui-même : le cytosol, le cytosquelette et les organites intracellulaires. Cette compartimentation des cellules eucaryote est vraiment fondamentale ! Attention, les membranes cellulaires jouent un rôle plus important que celui de simple frontière. 3  Bien retenir que les mitochondries et les peroxysomes se trouvent en dehors du système endomembranaire. De ce fait, ils possèdent un système de trafic membranaire indépendant du reste des organites. Cela sera évoqué de nouveau dans le cours sur le trafic vésiculaire. Attention: un piège fréquent -> ce sont bien les peroxysomes, et non les lysosomes, qui se trouvent en dehors de ce système. 2- Structure des membranes cellulaires En dépit de leurs fonctions différentes, toutes les membranes biologiques ont une structure commune. Chacune est, en effet, constituée d’un très fin film lipidique renfermant des protéines, tout cela maintenu ensemble par des interactions non covalentes. En microscopie électronique, on observe la membrane plasmique sous forme de bicouche lipidique d’environ 5nm : deux feuillets en vis-à-vis non identiques contenant d’autres molécules lipidiques ou protéiques. → En microscopie électronique, nous pouvons voir comme trois feuillets, car il y existe deux zones denses aux électrons, contenant les groupements polaires des molécules lipidiques et une moins dense (au milieu), contenant les groupements apolaires. Attention : on considère quand même que la membrane plasmique est faite de deux feuillets ! Les membranes cellulaires sont des structures très dynamiques, fluides et la plupart des molécules peuvent se déplacer dans le plan de ces membranes permettant ce que l’on appelle des remaniements membranaires. Leur structure de base est déterminée comme nous l’avons vu par la bicouche lipidique fluide et quasiment imperméable empêchant le passage des molécules hydrosolubles. La plupart des protéines membranaires (= protéines incluses dans la membrane) traversent la bicouche lipidique et assurent la majorité des fonctions membranaires, incluant (notamment) : Le transport transmembranaire de molécules spécifiques La catalyse de réactions telles que la synthèse d’ATP, etc. Au niveau de la membrane plasmique, un certain nombre de ces protéines servent de lien structurel qui connectent des protéines de la matrice extra-cellulaire (= en dehors de la cellule) ou d’une cellule adjacente au cytosquelette intracytoplasmique. Et d’autres servent de récepteurs pour transduire des signaux chimiques provenant de l’environnement cellulaire. 4 On estime que pour qu’une cellule animale puisse fonctionner et interagir avec son environnement, environ 30% des protéines codées par son génome sont des protéines membranaires. Nous allons donc, ici, aborder la structure et l’organisation des lipides et protéines. Nous allons surtout parler des membranes plasmiques, bien que ce que nous dirons s’applique aussi la plupart du temps aux autres membranes des cellules eucaryotes. Nous nous étendrons aussi aux principales spécificités des membranes des compartiments internes. 5 Chapitre 1 : la bicouche lipidique C’est un des chapitres les plus importants de ce cours. 1- Structure et composition de la bicouche phospholipidique La bicouche phospholipidique forme la structure de base de toutes les membranes cellulaires. Elle est commune à toutes les membranes cellulaires Elle est visible en microscopie électronique. Sa structure est liée aux propriétés spéciales des molécules qui la constituent et qui s’assemblent spontanément en bicouche (même dans des conditions expérimentales simplifiées). Elle renferme aussi du cholestérol et des protéines ayant divers rôles structuraux et fonctionnels. En microscopie électronique on utilise des sels de métaux lourds appliqués sur les coupes et de par leurs différentes affinités avec les constituants de la cellule, nous allons pouvoir les repérer par diffraction des faisceaux d’électrons. Cela permet donc de révéler les structures cellulaires ou subcellulaires (plus petites que la cellule, souvent utilisé pour désigner ce qui est à l’intérieur de la cellule). Ainsi, on observe dans la bicouche : Les têtes polaires des lipides aux extrémités intérieure et extérieure de la membrane, correspondant aux zones denses, car ils fixent les sels de métaux lourds et diffractent les électrons et les Les queues apolaires des lipides entre les têtes, au centre, correspondant à la zone claire, car composées d’acide gras. Rappel du cours sur les molécules du vivant et leur espace de diffusion, du professeur Chevret: -les molécules chargées : les ions, se dissolvent facilement dans l’eau. Ce sont des molécules hydrophiles, comme les sucres, l’ADN, l’ARN, et la majorité des protéines. -Les molécules hydrophobes ne sont pas chargées, forment peu ou pas de liaisons hydrogène et ne sont donc pas solubles dans l’eau. age hématopoïétique ainsi que leur microenvironnement : adipocytes, travées osseuses, … 2- Les sphingolipides, phosphoglycérides et stérols sont les principaux lipides des membranes cellulaires Les lipides constituent environ 50% de la masse de la plupart des membranes cellulaires animales Les protéines constituent les 50% restants en masse Attention à ne pas confondre volume et masse : la masse moléculaire étant en moyenne 30 fois moindre pour les lipides que pour les protéines, il y a donc environ 30 fois plus de molécules lipidiques que de protéines dans la membrane. 6 Toutefois, nous verrons que ces proportions peuvent varier en fonction : Du type de membrane cellulaire (plasmique, organites, etc) Du type cellulaire (cellules nerveuses avec un excès de lipides dans les axones myélinisés, etc) Tous les lipides des membranes cellulaires sont amphiphiles, cela signifie qu’ils présentent : Une extrémité hydrophile soit lipophobe et polaire d’un côté (correspondant aux têtes lipidiques dans la membrane plasmique) Une extrémité hydrophobe soit lipophile et apolaire (correspondant aux queues dans la membrane plasmique). o Hydrophile = aime l’eau/ hydrophobe = n’aime pas l’eau o Lipophile = aime les lipides/ lipophobe = n’aime pas les lipides Et hydrophile est un synonyme de lipophobe, car quand ça aime l’eau, ça n’aime pas les lipides et inversement. Les lipides membranaires les plus abondants sont les phospholipides, mais de nombreuses membranes contiennent aussi des glycolipides et du cholestérol. a) Les phospholipides des membranes cellulaires Les phospholipides sont les lipides membranaires les plus abondants, ils sont constitués : D’une tête polaire comportant un groupement phosphate (= groupement hydrophile) De deux queues hydrocarbonées hydrophobes (contenant des acides gras, notés AG, généralement de 14 à 24 atomes de carbone) Une des deux queues présente typiquement une ou plusieurs double-liaisons, on dit alors que la chaine d’AG est insaturée (il n’y a pas un nombre maximal d’atome d’hydrogène, d’où les doubles liaisons), et l’autre queue non, on dit alors que la chaine d’AG est saturée (en atome d’hydrogène, et donc sans double liaison). Les doubles liaisons sur l’une des deux queues créent des coudes dans la queue concernée. Et les variations de longueur et de nombre d’insaturations des AG présents dans les queues modulent les interactions des phospholipides les uns avec les autres, et affectent ainsi la fluidité de la membrane. Dans les phospholipides, les principaux présents dans les cellules animales sont les phosphoglycérides. 7  Il n’est pas nécessaire de connaitre la formule chimique ni la structure exacte des phospholipides présentés, mais il faut avoir une idée de leur organisation et des groupements qui les constituent. b) Les phosphoglycérides des membranes cellulaires On retrouve sur ce schéma : La tête polaire hydrophile, avec un alcool, un groupement phosphate et un glycérol Sur le glycérol viennent se brancher deux queues hydrophobes soit deux chaines d’AG, une saturée, linéaire et une insaturée avec une ou plusieurs coudures. Les phosphoglycérides sont donc construits sur une ossature glycérol à trois carbones sur laquelle se fixent : D’une part, deux longues chaines d’AG liées par des liaisons ester à deux carbones adjacents du glycérol. Et, d’autre part, le 3e carbone du glycérol est lié à un groupement phosphate, étant lui-même relié à un groupement alcool. En combinant différents types d’AG et groupements de tête, les cellules produisent différents phosphoglycérides. En effet, selon l’alcool lié (choline, sérine, éthanolamine, inositol), les phosphoglycérides seront constitués de : Phosphatidylcholine avec un groupement alcoolique choline Phosphatidylsérine avec un groupement alcoolique sérine Phosphatidyléthanolamine avec un groupement alcoolique éthanolamine Ce sont les trois principaux, mais, il existe aussi le phosphatidylinositol. c) Les sphingolipides des membranes cellulaires Un autre groupe important de phospholipides sont les sphingolipides, construits sur une ossature de sphingosine (/!\ et non glycérol). → La sphingosine est une longue chaine hydrocarbonée avec un groupement aminé NH2 et deux groupements hydroxyles OH à une extrémité, c’est donc un alcool aminé. Ex : Dans la sphingomyéline, le plus commun des sphingolipides, une queue d’AG est attachée au groupement aminé et un groupe phosphatidylcholine est attaché au groupement hydroxyle terminal. Les phospholipides à phosphatidylcholine, phosphatidyléthanolamine, phosphatidylsérine et sphingomyéline représentent plus de la moitié de la masse lipidique de la plupart des membranes cellulaires de mammifères. 8  d) Les glycolipides des membranes cellulaires En plus des phospholipides, les bicouches lipidiques de nombreuses membranes cellulaires comportent aussi des glycolipides. Les glycolipides ressemblent aux sphingolipides, mais au lieu d’un groupe de tête associé à un phosphate, des groupements glucidiques sont attachés aux longues chaines d’AG. e) Le cholestérol des membranes cellulaires Les membranes plasmiques des cellules eucaryotes comportent aussi des quantités particulièrement importantes de cholestérol (jusqu’à une molécule de cholestérol pour chaque molécule de phospholipide). Le cholestérol est un stérol qui se comporte d’une structure rigide en anneau à laquelle est attachée : Un seul groupement hydroxyle OH Et une courte chaine hydrocarbonée apolaire Les molécules de cholestérol sont donc également amphiphiles. Et s’orientent dans la bicouche lipidique avec leur groupement hydroxyle à proximité de la tête polaire des autres lipides. Donc, on retrouve dans la membrane : des phospholipides (phosphoglycérides, ou sphingolipides), les plus abondants ; des glycolipides ; et du cholestérol. On verra après qu’à cela vienne s’ajouter des protéines. Rappel : une molécule amphipathique possède une portion hydrophile et une autre hydrophobe. Dans le cas du cholestérol, son groupement hydroxyle représente la portion hydrophile, et la chaîne hydrocarbonée, la portion hydrophobe. + ces molécules sont dites tensioactives, c’est-à-dire qu’elles modifient la tension superficielle entre deux milieux. Cette propriété est exploitée pour la fabrication des savons. 3- Les phospholipides forment spontanément des bicouches La forme et la nature amphiphile des phospholipides entrainent leur association spontanée en bicouche dans un environnement aqueux. 9  Contrairement aux molécules hydrophiles qui se dissolvent aisément dans l’eau, du fait de leurs groupements polaires, chargés ou non, qui forment soit des ponts hydrogènes, soit des liaisons électrostatiques stables avec les molécules d’eau, les molécules hydrophobes sont, elles, insolubles dans l’eau. En effet, tous (ou la majorité) leurs atomes sont apolaires car non chargés, et ne peuvent donc pas former de liaisons thermodynamiquement stables avec les molécules d’eau. Ainsi, dispersées dans l’eau, ces molécules hydrophobes entrainent la réorganisation des molécules d’eau adjacentes en cages de type cristaux de glace /!\ ne paniquez pas c’est juste le nom de la conformation que prennent les molécules en trois dimensions : molécule d’eau liées deux à deux par des liaisons O – H, entourant la molécule hydrophobe. Ces structures étant plus ordonnées que l’eau avoisinante, leur formation augmente l’énergie libre. Cette énergie libre est toutefois minimisée si les molécules hydrophobes (ou les portions hydrophobes des molécules amphiphiles) s’associent ensemble afin qu’un nombre minimal de molécules d’eau soient affectées. De cette façon, les molécules amphiphiles en milieu aqueux vont s’agréger pour enfouir leurs portions hydrophobes vers l’intérieur afin de les isoler des molécules d’eau et exposent à celles-ci leurs têtes hydrophiles. En fonction de leur forme, ces molécules amphiphiles peuvent ainsi s’organiser de deux façons : (c’est surtout cela qu’il est important de retenir) Soit en micelles avec leurs queues hydrophobes vers l’intérieur → Dans le cas de molécules coniques Soit en bicouches avec leurs queues hydrophobes en sandwich entre leurs têtes hydrophiles → Dans le cas de molécules cylindriques. Ces bicouches se referment spontanément en sphères, les extrémités libres étant instables sur le plan énergétique. Ces propriétés sont importantes, car elles sont exploitables en vectorisation grâce aux liposomes (petites vésicules phospholipidiques artificielles utilisées à des fins thérapeutiques ou expérimentales : elles sont administrées au patient, puis captées par ses cellules) 4- La bicouche phospholipidique est fluide Depuis les années 1970, des recherches ont pu montrer, par différentes stratégies, telles que le marquage des phospholipides par le branchement de molécules fluorescentes au niveau de leurs têtes hydrophiles, que les molécules lipidiques diffusent latéralement dans la membrane, qu’elles soient synthétiques (comme les liposomes) ou naturelles. 10  La diffusion peut ainsi être estimée par observation de cellules au microscope à fluorescence. On peut aussi modifier la tête des phospholipides afin qu’ils portent un marqueur de spin, comme un groupe nitroxide =N-O portant un électron non apparié dont la rotation crée un signal paramagnétique qui peut être détecté par spectroscopie de résonnance de rotation électronique (ESR) → Le principe est similaire à la résonnance magnétique nucléaire (RMN). Le déplacement et l’orientation des molécules peuvent ainsi être déduits des spectres ESR : Des études montrent que les molécules de phospholipides migrent très rarement d’une monocouche (feuillet) à l’autre, ce processus de flip-flop se produit sur une échelle de temps de plusieurs heures pour n’importe quelle molécule individuelle (sauf pour le cholestérol, pour lequel c’est plus rapide). Au contraire, la diffusion latérale des lipides membranaires est très rapide (107 fois/sec), ce qui donne un coefficient de diffusion d’environ 10-8 cm2/sec, donc en moyenne une molécule lipidique se déplace de 2 micromètres par seconde, ce qui est important. La bicouche phospholipidique est un fluide bidimensionnel. Bien que diffusant latéralement, les phospholipides sont normalement confinés au sein d’un des deux feuillets de la bicouche (puisque les mouvements de flip-flop sont très rares). → Ce confinement crée un problème pour leur synthèse car les phospholipides ne sont synthétisés que dans un des feuillets, principalement, le feuillet cytosolique des membranes de réticulum endoplasmique. Si aucun de ces phospholipides néosynthétisés ne pouvait migrer raisonnablement et promptement vers le feuillet non cytosolique, de nouvelles bicouches lipidiques ne pourraient pas être générées. Ce problème est résolu par une catégorie spéciale de protéines membranaires, translocateurs de phospholipides ou flippases, qui catalysent le flip-flop rapide des phospholipides d’un feuillet vers l’autre. Vous verrez, dans un autre cours, que les flippases catalysent spécifiquement le passage d’un phospholipide du feuillet externe vers le feuillet interne, et que les floppases, catalysent la réaction inverse : passage du phospholipide du feuillet externe vers le feuillet interne. En dépit de la fluidité de la bicouche, les liposomes en suspension dans l’eau ne fusionnent pas spontanément les uns avec les autres. En effet, la fusion n’opère pas car, les groupes polaires des phospholipides lient des molécules d’eau qui doivent être déplacées pour que les bicouches des liposomes puissent fusionner. La coque d’hydratation qui maintient des liposomes à part les uns des autres isole aussi les nombreuses membranes internes des cellules eucaryotes, évitant les fusions incontrôlées, maintenant ainsi l’intégrité des organites clos. Tous les évènements de fusion des membranes sont donc catalysés par des protéines spécifiques régulées et permettent la formation d’agrégats et leur position en étroite proximité des membranes expulsant la coque d’hydratation, tout ceci permet la fusion. 11 Cette fluidité de la membrane lipidique permet l’assemblage de certaines protéines au niveau des membranes pour donner des structures spécialisées, comme : Des jonctions cellules-cellules et cellules-matrice extracellulaire Des complexes canaux et transporteurs Des complexes enzymatiques Des complexes impliqués dans la transduction d’un signal (= radeaux lipidiques ou lipid rafts) Les complexes synaptiques De nombreux composants membranaires se déplacent afin d’assurer des processus cellulaires fondamentaux comme : La motilité cellulaire La croissance et la division cellulaire La sécrétion par exocytose et l’endocytose et la phagocytose. 5- Variation de la proportion de lipides et de protéines dans la membrane On observe une variation des proportions relatives de lipides et de protéines dans les différentes membranes. Par exemple : la myéline des axones myélinisés : Épaisse couche lipidique à haute résistance Très riche en lipides, teneur minimale en protéines Constitue un isolant électrique pour l’axone qu’elle entoure Isole les axones et permet d’accroitre la vitesse de l’influx nerveux le long de l’axone. La myéline est due aux oligodendrocytes au niveau central et aux cellules de Schwann au niveau périphérique. La différence entre les oligodendrocytes et les cellules de Schwann sera revue au second semestre dans le cadre de l’enseignement d’UE12. Cependant, retenez bien dès maintenant qu’il s’agît de cellules assurant la myélinisation des axones, et qu’elles se trouvent dans deux compartiments différents : -les cellules de Schwann assurent la myélinisation des axones du système nerveux périphérique (SNP) -les oligodendrocytes jouent le même rôle mais dans le système nerveux central (SNC) 12 Autre exemple : les mitochondries : Dans la membrane interne des mitochondries ; Les protéines occupent 80% du volume de la membrane plasmique Les lipides 20% → Dans la membrane externe, on trouve une proportion de 50%-50%. Mais la masse moléculaire étant en moyenne 30 fois moindre pour les lipides que pour les protéines, il y a environ 15 fois plus de molécules lipidiques que de molécules protéiques dans la membrane interne mitochondriale. Attention à ne pas confondre le nombre et le volume. Autre exemple : l’enveloppe nucléaire : Les membranes nucléaires sont un peu spéciales. En effet, les membranes du noyau de 6nm de diamètre chacune dérivent du réticulum endoplasmique granuleux (d’où la continuité entre la membrane externe et le REG). Ces deux membranes sont séparées par un espace intermembranaire de 20 à 25nm et forment ainsi l’enveloppe nucléaire. Cette enveloppe est percée de pores : communication bidirectionnelle du noyau vers le cytoplasme et inversement. La membrane externe correspond bien à une bicouche comme nous pouvons le voir, et nous trouvons ensuite : Un espace intermembranaire Puis la membrane interne, elle aussi sous la forme de bicouche Et à certains endroits, cette enveloppe est coupée par un pore qui traverse les deux membranes. On retrouve en moyenne, plusieurs milliers de pores nucléaires par noyau, pouvant occuper jusqu’à 1/3 de la surface de l’enveloppe nucléaire. Ces pores sont formés par des assemblages complexes et volumineux (100kDa) avec environ 100 protéines impliquées dans leur structure. Ils peuvent être séparés par des méthodes physico-chimiques, comme l’ultracentrifugation. 13 Comme ce sont des complexes protéiques, nous retrouvons donc une proportion plus importante en protéines dans ces membranes au niveau des pores. 6- Effet de la composition lipidique sur la fluidité membranaire Les phosphoglycérolipides portant des queues hydrocarbonées insaturées (avec des doubles liaisons et donc des coudures) ne peuvent pas s’entasser autant que les queues hydrocarbonées saturées. En effet, l’espace créé entre les queues hydrocarbonées insaturées diminue les interactions hydrophobes. → Ainsi, leur présence en nombre important rend la membrane plus fluide. Le cholestérol, lui aussi, module la fluidité membranaire. En effet, il agit comme un tampon thermique de la membrane. Ses cycles aplatis, rigides et hydrophobes interfèrent avec les mouvements des queues d’AG. → Ainsi, à température physiologique (37°), il limite partiellement le mouvement des phosphoglycérides et diminue donc la fluidité membranaire. → Alors qu’à basse température, il empêche l’entassement des phospholipides et augmente ainsi la fluidité de la membrane. Sa présence permet donc à la membrane de rester fluide même à des basses températures. Les protéines à l’opposé des phospholipides, diminuent la fluidité membranaire. En effet, leur présence en proportion plus importante rend des membranes (ou domaines) plus rigides. → Par exemple, dans la membrane interne de l’enveloppe mitochondriale, ou encore, au niveau des radeaux lipidiques (domaines de membranes à forte concentration en protéines et lipides) ou bien des pores nucléaires, qui sont des zones où la concentration protéique est importante. Les radeaux lipidiques : Dans la bicouche lipidique, il existe des endroits, où les protéines et les lipides ne se distribuent pas au hasard : il s’agit de micro-domaines lipidiques individualisés appelés radeaux lipidiques ou lipid rafts. → La fluidité de ces radeaux varie en fonction de leur composition phospholipidique : ceux enrichis en phosphatidylcholine sont plus fluides que ceux enrichis en sphingolipides et cholestérol. On ne peut pas les observer directement du fait de leur trop petite taille (10-200nm) mais ils sont nombreux, hétérogènes et très dynamiques. On peut les observer par des méthodes indirectes, par exemple de marquage. 7- Asymétrie de la bicouche membranaire Les deux couches ne sont pas identiques du point de vue qualitatif (pas quantitatif : même nombre de lipides mais pas même type de lipides !). 14  → On ne retrouve pas exactement les mêmes lipides sur les deux feuillets ou hémi-membranes, on parle de polymorphisme membranaire. L’asymétrie au niveau de la bicouche lipidique contribue à créer des propriétés chimiques et physiques différentes sur les deux feuillets. Tous les glycolipides se trouvent dans le feuillet externe, et servent de récepteurs cellulaires pour des ligands extracellulaires La phosphatidylsérine est concentrée dans le feuillet interne et son apparition à la surface externe des lymphocytes âgés identifie des cellules destinées à être détruites par les macrophages. Le phosphatidylinositol est concentré dans le feuillet interne. Il joue un rôle clé dans le transfert des stimulus de la membrane plasmique au cytosol. Les chiffres exacts de ce tableau sont inutiles à retenir pour le concours, cependant, il est essentiel de retenir l’influence de chaque constituant de la membrane sur la fluidité membranaire totale. Exemple : variation qualitative des lipides entres différentes membranes 15 La notion de polymorphisme membranaire induit donc : → Une composition différente en lipides des deux feuillets de la bicouche → Une répartition variable des lipides et des phospholipides. Ainsi, ce polymorphisme influe sur la fluidité de la membrane et sur ses propriétés fonctionnelles. 16 Chapitre 2 : les protéines membranaires 1- Différents types de protéines Il existe différentes catégories de protéines membranaires qui participent de manière fondamentale aux fonctions des divers types de membranes cellulaires. Parmi les différentes classes fonctionnelles on trouvera notamment des protéines : De structure D’adhérence : intracellulaire ou d’adhérence avec la matrice extracellulaire et le cytosquelette De reconnaissance De transport Récepteurs : canaux ou couplées à des canaux, enzymes ou couplées à des enzymes (kinase, adénylate cyclase…), couplées à des protéines de signalisation Complexes enzymatiques (ATP synthase) 2- Différents modes d’association des protéines aux membranes Il existe deux grands modes d’association des protéines aux membranes : Les protéines extrinsèques ou périphériques : Qui s’associent aux membranes sans s’encastrer dedans, soit, indirectement à travers des interactions avec d’autres protéines membranaires. → Cela se fait via des interactions électrostatiques avec les têtes hydrophiles des phospholipides présents dans la membrane. Et notamment, par l’intermédiaire des séquences lipidiques ajoutées aux protéines après la traduction. Les protéines intrinsèques, intégrales ou intramembranaires : Elles s’encastrent dans un ou des feuillets des membranes par des interactions hydrophobes du fait de leur organisation en feuillet béta ou hélice alpha (ce sont différents types de conformation des protéines). → Elles peuvent être transmembranaires et traverser une ou plusieurs fois la membrane (attention elles ne sont pas forcément transmembranaire). La (ou les) partie(s) transmembranaire(s) sont le plus souvent sous la forme d’hélice alpha. Ex : récepteurs à activité tyrosine kinase (une traversée de membrane) ou récepteurs couplés aux protéines G (7 domaines transmembranaires reliés par des boucles extracellulaires et cytoplasmiques hydrophiles). 17 On voit, ici : - Des protéines extrinsèques, reliées à la membrane indirectement par des interactions avec des lipides de la membrane - Des protéines intrinsèques, certaines transmembranaire traversant la totalité de la membrane et d’autres non, seulement ancrées en partie dans la membrane. Chapitre 3 : le transport membranaire 1- Perméabilité membranaire Les membranes représentent donc des frontières entre les différents compartiments assurant une sélectivité de passage. La perméabilité sélective des membranes repose sur les propriétés chimiques de la bicouche phospholipidique et l’existence de protéines de transport spécifiques. Le principe de perméabilité de la membrane implique que : Les substances ne traversent pas la membrane à la même vitesse Les molécules hydrophobes (non polaires) comme les hydrocarbures, le CO2 ou l’O2 se Le schéma ci-dessus est essentiel à bien connaître pour le concours ! De plus, il est nécessaire de bien comprendre la différence entre : -les protéines intrinsèques -les protéines intrinsèques transmembranaires -les protéines extrinsèques, qui, attention, peuvent se trouver aussi bien sur la face externe qu’interne de la membrane cellulaire ! dissolvent dans la bicouche lipidique de la membrane et la traversent sans l’aide de protéines. Les molécules polaires et les ions ont besoin de protéines de transport pour pouvoir traverser la membrane. 18  2- Différents types de transports On peut avoir du transport passif, sans consommation d’énergie, dans le sens du gradient de concentration, on retrouve alors : La diffusion simple : pour les substances hydrophobes/ lipophiles directement à travers la bicouche => phénomène non saturable Le transport facilité : pour les substances hydrophiles, grâce à des protéines canaux (aquaporines, ionophores), ou des perméases => phénomène saturable (quand toutes les molécules sont utilisées et vont aussi vite qu’elles peuvent on atteint un palier de saturation) 19  Rappel : différence entre les transports saturables / non saturables : Les transports saturables, vous imaginez que c’est comme si l’élément, pour transiter de part et d’autre de la membrane, prenait sa voiture. Comme il n’est pas le seul élément à transiter, cela crée des bouchons -> c’est un transport qui sature, lorsqu’on atteint une certaine concentration d’éléments en transition, la vitesse de transition stagne puisque ça bouchonne. Les transports non saturables, vous imaginez que c’est comme si l’élément, pour transiter, y allait à pied, sans solliciter un quelconque mode de transport. A ce moment-là, certes, ça va un peu moins vite, mais il peut y avoir un nombre infini d’éléments en transition en même temps, cela ne bouchonnera jamais ! Ex : aquaporines : Les aquaporines sont des protéines qui facilitent la diffusion massive de l’eau, elles sont au nombre de 13 connues chez l’Homme. Elles sont constituées de plusieurs hélices alpha et chaque aquaporine permet le passage de plus de 3x 109 molécules d’eau par seconde. → Certaines cellules ont un grand nombre de molécule d’aquaporines comme les cellules rénales de réabsorption de l’eau. Et lorsque les aquaporines sont déficientes elles entrainent parfois des pathologies, comme le diabète insipide, ou la cataracte. 20 Ex : ionophores : Un ionophore est une molécule dont les canaux s’ouvrent et se ferment en fonction de la présence ou non d’un signal électrique, chimique ou mécanique. → Le récepteur de l’acétylcholine est un ionophore endogène, car naturellement présent dans les cellules animales. La fixation de l’acétylcholine va ainsi modifier la conformation du canal voisin au récepteur de l’acétylcholine et permettre le passage augmenté du potassium et du sodium au niveau de la jonction neuromusculaire par exemple. → Il existe également des ionophores exogènes qui s’insèrent dans la membrane bactérienne pour perturber les flux ioniques et ainsi tuer la bactérie, ils sont donc utilisés comme médicaments. Ex : perméases : Ce sont des protéines transporteurs qui se lient à leurs passagers spécifiques et changent de conformation pour les faire passer d’un côté à l’autre de la membrane de manière réversible la plupart du temps. On a aussi un transport actif pour des molécules hydrophiles majoritairement, avec une nécessaire consommation d’énergie, dont l’ATP, contre le gradient de concentration, on trouve alors : 21  Le transport actif primaire (pompe Na/K) Grâce à l’activité de la pompe Na/K ATPase ce transport se maintient car on a un maintien du potentiel électrique de membrane et donc de la différence de concentration des ions sodium et potassium de part et d’autre de la membrane. On a donc une persistance, grâce à cette pompe, du gradient de concentration, et jamais d’épuisement de ce dernier. En effet, on note un rôle important des pompes ioniques dans le maintien du potentiel de membrane (= différence de potentiel électrique de part et d’autre de la membrane, variant de -50 à -200mV). Le potentiel membranaire est maintenu grâce aux ions protons H+ et aux macromolécules intracellulaires, dont les protéines, portant une charge négative, et grâce aux protéines membranaires de transport ioniques (électrogènes) comme la pompe Na/K ATPase. Le transport actif secondaire (cotransport) Ces notions de potentiels de membranes et des différents modes de transports membranaires sont revus dans l’enseignement d’UE8 ce semestre. Il est essentiel de bien retenir, pour chaque mode de transport : -les éléments transportés et les protéines mises en jeu. -s’il s’agît d’un mode de transport consommateur d’ATP, ou non. -s’il s’agît d’un mode de transport saturable, ou non. C’est un transport actif primaire associé à un transport actif secondaire. → Par exemple, ici, une pompe (transport actif primaire) est alimentée par l’ATP et permet de transporter des protons et crée un gradient de protons, qui est alors mis à profit par une perméase non-ATP dépendante qui prend donc en charge ce gradient de proton et un autre élément, ici le saccharose. 22  Ici, une pompe fait sortir des ions protons grâce à l’énergie de l’ATP, cela crée donc un gradient de protons : les protons ont très envie de rentrer dans la cellule puisque du fait de la pompe, ils sont bcp en dehors et très peu dans la cellule (tjrs garder en tête que les éléments veulent coloniser les endroits où ils sont peu présents pour atteindre un équilibre : autant en dedans qu’en dehors). On trouve à côté, une perméase qui transporte à la fois les protons vers l’intérieur et le saccharose vers l’extérieur. Or, comme les protons ont très envie de rentrer dans la cellule, cela permet à la perméase d’exploiter ce gradient de protons pour faire sortir le saccharose. Ex : les cellules intestinales : Le transport du glucose dans les cellules intestinales est facilité par la pompe Na/K ATPase. Le gradient de sodium créé par cette pompe est exploité pour le cotransport de glucose par le système de symport sodium/glucose appelé SGLT1 au pôle apical, ensuite le glucose intracellulaire, rentré grâce au cotransporteur sodium/glucose diffuse vers le pôle basal et sort par le système de transport facilité du glucose appelé GLUT. On trouve enfin le transport de macromolécules : Exocytose Endocytose Ces systèmes d’endocytose et d’exocytose vous seront détaillées dans d’autres cours, cependant, pour mieux comprendre ces mécanismes, il faut savoir que ce sont des systèmes de transport de macromolécules, consommant de l’énergie. Comme illustré sur le schéma ci-dessous, cela est permis par la formation de vacuoles, puis la fusion des membranes sous l’influences de signaux moléculaires de surface. 23 Conclusion : Les membranes jouent donc des rôles essentiels dans la structure et la fonction de cellules eucaryotes, permettant un isolement vis-à-vis du milieu extracellulaire, permettant aussi le cloisonnement des organites, et remplissant des fonctions structurales, de transport, de reconnaissance, d’interactions et d’échanges. Tout cela via des lipides et protéines spéciales et du fait de leur assemblage particulier. 24 Le transport membranaire La bicouche lipidique Exocytose / endocytose des macromécules Structure et composition : Perméabilité membranaire : Têtes polaires et queues Apolaires Perméabilité sélective grâce à des protéines de Visibilité en ME transport spécifique Asymétrie de la couche : Sélectivité de passage Les deux couches ne sont pas identiques d’un point Différents types de transport : de vue qualitatif PASSIF (diffusion simple + transport facilité) Principaux constituants : ACTIF (transport actif primaire + secondaire (co- Sphingolipides + phosphoglycérides + stérols transport)) Proportions différentes entres les lipides et les protéines Autres constituants : Phospholipides + glycolipides + cholestérol Les phospholipides forment spontanément des bicouches. La fluidité membranaire est influencée par la composition de la membrane Les protéines membranaires Structure Adhérence Reconnaissance Transport Récepteurs Extrinsèques ou périphériques Intrinsèques, intégrales ou transmembranaires 25