Biochimie Structurale BCM-1001 - Module 10: Les Membranes Biologiques PDF

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Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Module 10 Les membranes biologiques Introduction Toutes les cellules sont délimitées par une membrane. En plus de servir de barrières semi- perméables entre les cellules et leur environnement (monde extérieur), les membranes biologiques définissent les compartiments intracellulaires. Chez les eucaryotes, de nombreux organites intracellulaires (noyaux, mitochondries, chloroplastes, réticulum endoplasmique et appareil de Golgi) sont entourés de membranes. Ces membranes intracellulaires permettent de maintenir un microenvironnement particulier, favorisant ainsi certains processus biochimiques qui autrement ne se produiraient pas ou du moins beaucoup plus difficilement. 10.1 Les agrégats lipidiques En solution aqueuse, les lipides forment des agrégats. Leurs interactions avec l’eau varient selon leur degré d’hydrophobicité. Par exemple, les lipides hydrophobes (comme les triacylglycérols et les cérides) ont tendance à s'associer sous forme de gouttelettes, en excluant les molécules d'eau, ce qui forme des agrégats instables entourés de clathrates (Module 2). Comme nous l’avons vu antérieurement, les interactions hydrophobes servent de forces motrices à la formation des clathrates. Pour leur part, les lipides amphiphiles (acides gras, glycérophospholipides et sphingolipides) s’associent pour former des monocouches, des micelles, des bicouches ou des liposomes. Des monocouches se forment spontanément à la surface de l’eau lorsqu’une faible quantité d’acide gras y est ajoutée. Si l’on augmente la concentration de cet acide gras, il y a formation de micelles ou de bicouches, c’est-à-dire d’agrégats globulaires dont la surface est occupée par les groupements des têtes hydrophiles du lipide, les chaînes hydrophobes s'associant au centre de façon à exclure les molécules d'eau (Figure 10). Page 1 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 10.1 : Structure d’une micelle, d’une bicouche et d’un liposome (Nelson, 2008). Les lipides amphiphiles à une seule chaîne (comme les acides gras) produisent des micelles sphéroïdales en raison de leur forme fuselée (leurs groupements hydrophiles sont plus larges que leurs chaînes). Par contre, les 2 chaînes hydrocarbonées des glycérophospholipides et des sphingolipides confèrent à ces lipides une forme plus ou moins cylindrique. Les contraintes stériques amènent ces molécules à former des bicouches lipidiques (Figure 10.1). Une bicouche est constituée de 2 feuillets. Dans chaque bicouche, les chaînes hydrophobes (appelées aussi queues) sont comprises entre les têtes hydrophiles qui sont en contact avec le milieu aqueux. Ce sont les interactions hydrophobes qui servent de forces motrices à la formation des bicouches lipidiques; par la suite, les forces de Van der Waals stabilisent leurs structures. Les bicouches lipidiques forment la base structurale des membranes biologiques. En laboratoire, il est possible de former des structures fermées que l’on appelle liposomes (ou vésicules) à partir de bicouches étendues. Ces structures sont très stables et contiennent une cavité aqueuse. En raison de leur solubilité et de leur imperméabilité à plusieurs substances, les liposomes sont des véhicules prometteurs pour transporter des agents thérapeutiques vers certains tissus. Page 2 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 10.2 Composition et propriétés des membranes Une membrane typique est composée d’une bicouche lipidique à laquelle sont associées principalement des protéines, mais également des glucides (Figure 10.2). Nous verrons que le modèle de la mosaïque fluide décrit l’arrangement des lipides et des protéines dans la membrane (section 10.2.2). Selon ce modèle, la membrane est une structure dynamique dont les constituants sont mobiles. Les protéines sont liées aux lipides via 3 types de liens (section 10.3). Les glucides sont présents principalement sur la surface extracellulaire de la membrane plasmique sous forme de glycolipides ou de glycoprotéines (Module 8). Figure 10.2 : Structure générale d’une membrane plasmique (Nelson, 2013). Page 3 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 10.2.1 Composition des membranes Les lipides formant la bicouche des membranes sont des mélanges complexes. Comme nous l’avons déjà vu dans le module 9, on y retrouve 3 principaux types de lipides : les glycérophospholipides (bactéries et eucaryotes) les sphingolipides (absents chez la plupart des bactéries) le cholestérol (principalement dans les cellules des animaux). Puisque le cholestérol ne peut pas former de bicouches par lui-même, il est stabilisé par les autres lipides de la membrane. La composition lipidique ainsi que le ratio lipides/protéines des membranes sont hautement variables. Ils varient entre : Les espèces (Tableau 10.1). Les différents types de cellules (tissus) d’un organisme. Les organites d’une même cellule (Figure 10.3). Les feuillets interne et externe de la bicouche (Figure 10.3). o Phénomène appelé asymétrie transversale Les différentes régions d’un même feuillet (Figure 10.3). o Phénomène appelé hétérogénéité latérale Tableau 10.1 : Compositions des membranes de différentes espèces (Nelson, 2008). Protéines Lipides Rapport Membrane (%) (%) lipides/protéines Hépatocyte de rat 45 52 1,2 E. coli 75 25 0,3 Érythrocyte humain 49 43 0,9 Paramecium 56 44 0,8 NOTE : Ce tableau n’est donné qu’à titre d’exemple et n’est pas à mémoriser. Page 4 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 10.3 : Distribution des lipides dans les membranes d’une cellule type (Nelson, 2021). On peut observer la différence entre la membrane de réticulum et la membrane plasmique. Pour la membrane plasmique, on peut facilement remarquer la différence entre les 2 feuillets (asymétrie transversale) et même les variations dans un même feuillet (hétérogénéité latérale). Cette figure n’est donnée qu’à titre d’exemple et n’est pas à mémoriser. Page 5 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 10.2.2 Le modèle de la mosaïque fluide Les membranes biologiques sont des structures : asymétriques hétérogènes dynamiques fluides On dit qu’une membrane est asymétrique parce que les phospholipides sont distribués asymétriquement entre les feuillets interne et externe de la bicouche lipidique (Figure 10.3). Ce phénomène est aussi appelé asymétrie transversale. La couche qui fait face à l'environnement a donc une composition différente de la couche qui fait face au cytosol. Cela permet à chaque couche de remplir des besoins particuliers de la cellule. Par exemple, la feuillet externe contient plusieurs lipides associés à des glucides; ces glycolipides participent à la reconnaissance cellulaire. La distribution des lipides et des protéines membranaires est également non uniforme à l’intérieur d’un même feuillet de la bicouche. On parle alors d’hétérogénéité latérale et c’est pourquoi on dit que les membranes sont hétérogènes. Les radeaux lipidiques (« lipid rafts » en anglais) sont un excellent exemple de cette hétérogénéité. Ce sont des régions enrichies en cholestérol et sphingolipides qui forment des microdomaines moins fluides et plus ordonnés que le reste de la membrane. Certaines protéines membranaires s’associent spécifiquement aux radeaux lipidiques. Par exemple, certaines protéines participant à un même sentier métabolique sont localisées dans les radeaux lipidiques. Ces régions sont moins fluides et plus ordonnées, ce qui réduit le mouvement des protéines dans la membrane et leur permet de rester à proximité les unes des autres. Cette proximité est primordiale dans les phénomènes de canalisation métabolique (Module 6). Page 6 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Les membranes sont des structures dynamiques, car les lipides de la bicouche sont en mouvement continuel (Figure 10.4). Il y a possibilité de rotation autour des liaisons C-C de chaque queue lipidique. De plus, les lipides et les protéines peuvent diffuser rapidement à l’intérieur d’un feuillet de la bicouche (diffusion latérale). En général, les protéines diffusent plus lentement que les lipides. On compare souvent les protéines membranaires à des icebergs flottant sur une mer de lipides. Figure 10.4 : Mouvement des lipides à l’intérieur de la bicouche lipidique (McKee, 2009). Les lipides peuvent aussi passer d’un feuillet à l’autre de la bicouche (diffusion transversale ou flip-flop) (Figure 10.4). La tête hydrophile de la molécule, qui est fortement hydratée, doit alors traverser la région hydrophobe de la bicouche. Étant donné que la barrière d’énergie associée à ce mouvement est très élevée, la diffusion transversale est extrêmement lente. Les flippases et les floppases sont des protéines membranaires qui facilitent la diffusion transversale en utilisant de l’ATP. La fluidité de la membrane varie en fonction de la température (Figure 10.5). En plus de modifier l’organisation de la bicouche, la transition de phase, c’est-à-dire le passage entre la phase gel et la phase cristal liquide, affecte les fonctions de catalyse et de transport des protéines membranaires. À basse température, la membrane est sous forme de gel (phase gel). Les chaînes hydrocarbonées des lipides sont alors ordonnées et étendues à leur maximum. L’épaisseur de la bicouche est donc maximale. Lorsqu’on élève la température, les chaînes deviennent plus mobiles, ce qui donne une structure plus désordonnée appelée phase cristal liquide. Page 7 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 10.5 : Illustration de la transition de phase : effef d’un changement de température sur la bicouche lipidique (Moran, 2012). Une membrane doit être fluide, mais pas trop, pour assurer ses fonctions. La gamme de températures où la fluidité est optimale varie selon la composition de la membrane. La température de transition (Tm) d’une membrane dépend à la fois de la longueur et du degré de saturation des chaînes formant les groupements acyles des phospholipides. Plus une chaîne est longue, plus elle peut former d’interactions non covalentes avec les chaînes voisines, ce qui augmente la stabilité de la bicouche et par conséquent la température de transition. Par contre, la température de transition diminue lorsque le nombre de doubles liaisons C=C augmente. Les bicouches contenant principalement des acides gras saturés forment des structures rigides, compactes, et organisées. En revanche, les acides gras insaturés entraînent un certain désordre, ce qui rend la membrane plus fluide. Puisque les doubles liaisons introduisent une courbure, les chaînes ne peuvent plus s'aligner de façon aussi compacte et ordonnée (Figure 10.6). o Comme on le sait, les forces de van der Waals dépendent de la distance entre les atomes. Puisque cette distance augmente lorsque les chaînes lipidiques sont moins ordonnées, les forces de van der Waals sont moins importantes. o De même, les interactions hydrophobes sont moins fortes lorsque les molécules hydrophobes ne peuvent plus s'associer de façon compacte. Page 8 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 10.6: Effet de la composition en acide gras (saturé ou insaturé) sur la stabilité de la membrane (Nelson, 2013). Chez les animaux, le cholestérol, qui est une molécule rigide, affecte également la fluidité de la membrane. Ce lipide a un effet particulier. À haute température, il interfère avec le mouvement des chaînes d’acides gras voisines, ce qui diminue la fluidité de la membrane. À basse température, il perturbe l’organisation compacte des chaînes, augmentant ainsi la fluidité des membranes. Le cholestérol aide donc à maintenir la fluidité de la membrane sur un plus grand intervalle de températures, mais n’affecte pas la température de transition. Habituellement, les membranes biologiques passent graduellement de la phase gel à la phase cristal liquide sur un intervalle de températures variant de 10 °C à 40 °C. Les bactéries et certains animaux à sang froid comme les poissons ajustent la proportion de leurs acides gras insaturés afin de maintenir un niveau constant de fluidité dans leurs membranes à diverses températures (Tableau 10.2). Page 9 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Tableau 10.2 : Effet de la température sur le contenu en acides gras de la membrane d’Escherichia coli (inspiré de Nelson, 2008). Pourcentage des acides gras totaux (%) Acides gras 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C Acide myristique (14 : 0) 4 4 4 8 Acide palmitique (16 : 0) 18 25 29 48 Acide palmitoléique (16 : 1) 26 24 23 9 Acide oléique (18 : 1) 38 34 30 12 Acide hydroxymyristique 13 10 10 8 Ratio insaturés/saturésa 2,9 2,0 1,6 0,38 aL’acide hydroxymyristique n’a pas été pris en compte dans le calcul du ratio. NOTE : Ce tableau n’est donné qu’à titre d’exemple et n’est pas à mémoriser. 10.2.3 Cas particulier : la membrane des archaebactéries On retrouve les archaebactéries dans des environnements extrêmes où la température, le pH et/ou la concentration en sels sont aux limites ultimes des conditions permettant la vie. C’est pourquoi on appelle ces organismes des extrémophiles. Pour survivre à ces conditions extrêmes, les archées possèdent des caractéristiques particulières, dont une membrane plasmique ayant une structure et une composition inhabituelles (Figure 10.7). Figure 10.7 : Lipide inhabituel constituant les membranes des archées (Nelson, 2013). Page 10 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement La membrane plasmique des archées n’est pas constituée d’une bicouche, mais plutôt d’une monocouche. Cette monocouche est formé de lipides composés de 2 molécules de glycérol et de 2 chaînes d’unités d’isoprène rattachées par des liens éthers (plus stables que les liens esters des glycérophospholipides). Ces deux caractéristiques confèrent une stabilité exceptionnelle à la membrane des archées. 10.3 Les 3 classes de protéines membranaires Les protéines membranaires participent au transport des nutriments et des déchets, au transfert de l’information entre l’environnement et le cytoplasme (aussi appelé la transduction du signal, module 11), à la reconnaissance cellulaire ainsi qu’à la production d’énergie. Comme le montre la Figure 10.8, ces protéines sont divisées en 3 classes selon leur mode d’association à la bicouche : Protéines transmembranaires (aussi appelées protéines intégrales ou intrinsèques) Protéines périphériques (aussi appelées protéines extrinsèques) Protéines ancrées à un lipide membranaire Figure 10.8 : Représentations des 3 classes de protéines membranaires (Voet, 2008). Page 11 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Le Tableau 10.3 présente les types de liaisons retenant les protéines à la membrane de même que les conditions requises pour les libérer. Tableau 10.3 : Modes d’association des protéines membranaires à la bicouche lipidique et méthodes pour les dissocier (Nelson, 2008). Protéines Liées à la membrane par : Libérées de la membrane par : Périphériques Forces ioniques Augmentation de la force ionique Liaisons H Changement de pH Interactions hydrophobes Transmembranaires Interactions hydrophobes Agents dénaturants (détergents) Sonication (bris des membranes) Ancrées à un lipide Liaisons covalentes Hydrolyse enzymatique membranaire (phospholipase) Les protéines transmembranaires sont riches en résidus hydrophobes qui interagissent avec le cœur hydrophobe de la bicouche lipidique. Certaines régions hydrophobes de la protéine peuvent traverser complètement la membrane. On appelle ces régions segments transmembranaires. Les régions présentes à l’interface lipide-eau (sur la surface interne ou externe) contiennent de nombreux résidus polaires ou chargés. Les protéines transmembranaires sont classées selon : le nombre de segments transmembranaires leur orientation dans la membrane Page 12 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 10.9 : Exemple de protéines transmembranaires (GLUT1) (Nelson, 2008). Les segments transmembranaires sont reliés par des boucles. Les extrémités N- et C-terminales peuvent être toutes les 2 du même côté de la membrane (comme dans cet exemple) ou de part et d’autre de la membrane. Certaines protéines transmembranaires n’ont qu’un seul segment transmembranaire; d’autres en contiennent 2 à 12. Le nombre de segments transmembranaires peut être prédit en analysant le profil d’hydropathie de la séquence protéique (Figure 10.10). Il faut se rappeler que l’hydropathie réfère à l’hydrophobicité relative de chaque acide aminé; c’est le changement d’énergie libre accompagnant le transfert d’un résidu d’acide aminé d’une bicouche lipidique vers l’eau (voir capsule 3.1, diapositive #16). Figure 10.10 : Graphique d’hydropathie de 2 protéines transmembranaires. (a) La glycoporine ne possède qu’un segment transmembranaire (b) La bactériorhodopsine contient 7 segments transmembranaires (Nelson, 2008). Page 13 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Les protéines périphériques sont liées à la surface de la membrane via différents types d’interactions non covalentes (Tableau 10.3), soit avec des lipides membranaires soit avec des protéines transmembranaires. Les protéines membranaires ancrées à un lipide sont attachées à la membrane par un lien covalent avec un lipide inséré dans la double couche : ce dernier sert d’ancre. Comme le montre la figure 10.11, les protéines peuvent être ancrées à : Un acide gras Un isoprénoïde Un glycosylphosphatidylinositol (ancre GPI) Figure 10.11 : Représentations des protéines membranaires ancrées à un lipide (Nelson, 2013). On parle d’acylation (ajout d’un groupement acyle) lorsque les protéines membranaires sont liées à un acide gras, le plus souvent à l’acide myristique ou palmitique. Page 14 Module 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Lorsqu’elles sont liées à une chaîne d’isoprénoïdes, on parle de prénylation. Les groupements prényle (résidu d’isoprénoïde) que l’on rencontre le plus souvent sur les protéines membranaires sont le farnésyle et le géranylgéranyle. Les ancres GPI (glycosylphosphatidylinositol) forment le type d’ancrage le plus élaboré. Elles sont constituées d’un résidu de phosphatidylinositol lié à un court oligosaccharide auquel est attaché un résidu de phosphoéthanolamine. C’est ce résidu de phosphoéthanolamine qui forme un lien amide avec la protéine. La portion 1,2-diacylglycérol du GPI est insérée dans la membrane. Les protéines liées à une ancre GPI sont présentes seulement sur la surface externe de la membrane cellulaire. Bibliographie Garrett, R. H. et C. M. Grisham. 2010. Biochemistry, 4th edition. Édité par Brooks/Cole, Cengage learning. ISBN 0-495-10935-5. Horton, H. R., L. A. Moran, K. G. Scrimgeour, M. D. Perry et J. D. Rawn. 2006. Principles of biochemistry, Fourth edition. Édité par Pearson Prentice Hall. ISBN 0- 13-145306-8. Nelson, D. L. et M. M. Cox. 2008. Lehninger's Principles of biochemistry. 5th edition. Édité par W. H. Freeman. ISBN 978-0716743392. McKee, T. et J. R. McKee. 2009. Biochemistry: the molecular basis of life, Fourth edition. Édité par Oxford University Press, inc. ISBN 978-0-19-530575-3. Moran, L. A., Horton, H. R., K. G. Scrimgeour et M. D. Perry. 2012. Principles of Biochemistry, 5th edition. Édité par Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-3217-0733-8. Voët, D., J. G. Voët et C. W. Pratt. 2008. Fundamentals of biochemistry. Life at the molecular level. 3 rd edition. Édité par Wiley. ISBN 978-0470129302. Page 15 Module 10