Les Membranes 2024 - Université IBA DER THIAM DE THIES - PDF

Les Membranes Université IBA DER THIAM DE THIES UFR SANTE Biologie cellulaire Dr Robert Diatta L1S1 LICENCE OPTIQUE LUNETTERIE-ORTHOPTIE Date 15 JUIN 2024 Objectifs 1-Connaitre la structure des membranes biologiques et leurs principales fonctions. 2-A...

Les Membranes Université IBA DER THIAM DE THIES UFR SANTE Biologie cellulaire Dr Robert Diatta L1S1 LICENCE OPTIQUE LUNETTERIE-ORTHOPTIE Date 15 JUIN 2024 Objectifs 1-Connaitre la structure des membranes biologiques et leurs principales fonctions. 2-Appréhender les différents types de transports transmembranaires et le rôle de « frontière » de la membrane plasmique entre les milieux intra et extracellulaires. Plan Généralités I. Structure et composition de la membrane. II. Les transports perméatifs III. Les transports cytotiques (ou cytoses) Généralités Les cellules sont délimitées par une membrane plasmique formée d’une bicouche lipidique et de glycoprotéines. La diversité de ces composantes lui permet de remplir des rôles variés tant au niveau cellulaire qu’au niveau du tissu donc de l’organisme. Situé à l’interface entre le milieu extracellulaire et le cytoplasme, la membrane plasmique permet de contrôler les échanges entre ces deux compartiments. Généralités Les Eucaryotes (dont l’homme) possèdent de plus des endomembranes, qui permettent une compartimentation de la cellule, et peuvent intervenir de par leurs protéines dans la réalisation de fonctions métaboliques. Les propriétés des membranes biologiques reposent entre autres sur la fluidité de leurs structures. Généralités Elles permettent la formation des vésicules et des fusions membranaires, à la base des mouvements de cytoses, ou transports cytotiques. Ces phénomènes complètes les transports des petites molécules, qui font intervenir des mécanismes perméatifs: diffusion libre ou facilitée, transports actifs primaires ou secondaires. I.Structure et composition de la membrane I.1.Une bicouche lipidique L’observation d’une membrane plasmique au microscope électronique à transmission montre une structure fine (6-7nm d’épaisseur) et constituée de deux feuillets, chacun correspondant à une couche lipidique. Les lipides constituent en moyenne 50% (en masse) de la membrane des cellules animales. I.Structure et composition de la membrane I.1.Une bicouche lipidique Il s’agit essentiellement de phospholipides (glycérophospholipides ou sphingolipides, ainsi que dans une moindres mesure de cholestérol et de glycolipides. Ces molécules ont la particularité d’être amphiphiles, ce qui permet leur positionnement en micelles ou liposomes (et donc en bicouche). I.Structure et composition de la membrane I.1.Une bicouche lipidique La disposition tête-bêche des lipides membranaires est acquise de manière spontanée sans faire intervenir de liaisons covalentes. Le groupement des parties hydrophobes des constituants membranaires permet la formation d’un cœur hydrophobe. I.Structure et composition de la membrane I.1.Une bicouche lipidique Ceci explique la capacité d’une membrane à séparer deux milieux aqueux, et donc la possibilité pour les structures membranaires de délimiter la cellule vis-à-vis du milieu extérieur ou de définir des espaces clos distincts à l’intérieur de la cellule (compartiments). La proximité des chaines aliphatiques permet l’établissement de liaison de Van der waals, contribuant à stabiliser la structure. I.Structure et composition de la membrane I.1.Une bicouche lipidique Les parties hydrophiles des molécules membranaires sont quand à elles disposées en contact avec le milieu aqueux. Les liaisons hydrogènes ainsi établies participent à la stabilité de la bicouche lipidique sans qu’aucune liaison covalente ne soit nécessaire. Les membranes biologiques des cellules animales comportent une variable de cholestérol. Il s’agit d’une molécule lipidique amphiphile formée d’un noyau stérol (stéroide) et d’une courte chaine carbonée. I.Structure et composition de la membrane I.1.Une bicouche lipidique On peut observer des différences importantes dans la compositions lipidiques des membranes biologiques, aussi bien entre des membranes plasmiques de différentes cellules qu’entre des membranes des divers organites au sein d’une même cellule. Ces différences peuvent concerner non seulement les types de lipides présents, mais aussi au sein d’ensembles comme les glycérophospholipides les groupements alcoolés substitués sur le phosphate ou des acides gras formant les queux hydrophobes.  I.Structure et composition de la membrane I.2.Les protéines de la membranes Les protéines assurent une grande partie des rôles des membranes biologiques. En particulier des protéines présentes au niveau d’une membrane donnée permettant la spécialisation de cette dernière, en lui conférent des fonctions particulières : la diversité des protéines permet une diversité des fonctions membranaires. On distingue plusieurs catégories de protéines en fonction de leur position membranaire. I.2.Les protéines de la membranes I.2. 1.Les protéines transmembranaires Les protéines traversent intégralement la membrane grâce à l’existence d’au moins un domaine hydrophobe. Ce domaine est très souvent constitué d’une vingtaine d’acides aminés à résidu hydrophobes organisés en hélices α, il est ainsi possible de prédire l’existence de domaine transmembranaires en étudiant la nature des acides aminés présents dans la structure primaire d’une protéine. Une assez grande variabilité existe quand au nombre de traversées membranaires et à l’orientation de la protéine (position intra et extracellulaire des extrémités N-terminale et C-terminale. I.2.Les protéines de la membranes I.2.2.Diverses modalités d’association des protéines à la membrane En supplément des protéines transmembranaires, d’autres protéines peuvent n’être que partiellement intégrées à la membrane, sans la traverser intégralement. De nombreuses protéines sont associées à la membranes sans présenter de domaines intégré à celle-ci. On parle alors de protéines extrinsèques (par opposition aux protéines membranaires qualifiées d’intrinsèques).  I.2.Les protéines de la membranes I.2.2.Diverses modalités d’association des protéines à la membrane Ainsi certaines protéines sont associées (par des liaisons faibles en général) à des protéines membranaires, ce qui assure leur localisation à la membrane. D’autres protéines établissent des liaisons hydrogènes ou électrostatiques avec les têtes hydrophiles des lipides membranaires : elles sont ainsi adsorbées sur la membranes. Enfin des protéines sont associées par une liaison covalente à une molécules lipidique, elle-même intégrée à la membrane on parle alors d’une ancre membranaire (ex: ancre myristoyle formée d’un acide gras, ancre GPI formée d’un phospholipide). I.2.Les protéines de la membranes I.2.3. Des rôles variés Les protéines membranaires permettent d’accomplir une grande diversité de rôles : récepteurs de molécules hormonales ou de neurotransmetteurs (leur position transmembranaire permettant la transduction d’un message présent dans le milieu extracellulaire vers le cytosol), rôle métabolique (cas de voies métaboliques intégrées à des membranes, comme la chaine respiratoire de la membrane interne des mitochondries), rôle plus structural (ex: protéines constitutives des jonctions cellulaires), etc. I.3.Le glycocalyx et son importance fonctionnelle Les protéines de la membranes plasmiques ainsi les lipides membranaires, peuvent être glycosylés : une courte chaines de quelques résidus osidiques, souvent ramifiée, est alors présente du côté de la face extracellulaire. L’ensemble des glycosylations présentes sur la face extracellulaire de la membrane plasmique forme le glycocalyx (ou cell Coat= «manteau cellulaire »). Un rôle général du glycocalyx est de permettre de maintenir une hydratation de la face externe de la membrane plasmique, grâce au caractère fortement hydrophile des oses. I.3.Le glycocalyx et son importance fonctionnelle Le glycocalyx peut permettre d’établir une identité cellulaire. Le groupe sanguin ABO, par exemple, correspondent à un motif de quelques oses portés par un lipide, variable au niveau du dernier résidu glucidique. Cette variabilité est due à une enzyme, qui peut être présente sous trois formes différentes: ▪ forme inactive :aucun résidu osidique n’est ajouté sur l’oligosaccharide H. Si cette forme est la seule présente, l’individu est du groupe O ; ▪ forme active « A » ; ajout d’un galactosamine sur l’oligosaccharide H, ce qui conduit à la formation de l’antigène A; ▪ forme active « B » : ajout d’un galactose sur l’oligosaccharide H, ce qui conduit à la formation de l’antigène B. I.3.Le glycocalyx et son importance fonctionnelle Les antigènes présents déterminent le groupe sanguin ABO de l’individu. D’autres résidus glucidiques ou allèles protéiques déterminent par ailleurs les autres groupes sanguins (rhésus, etc.). I.4.La fluidité membranaire I.4.1.Une diversité de mouvements et leurs conséquences La structure de la membrane plasmique est fondée uniquement sur les liaisons faibles, ce qui permet un mouvement des protéines comme des lipides membranaires : c’est la fluidité membranaire. Cette fluidité consiste essentiellement en des déplacements latéraux des constituants membranaires aléatoires et rapides (des lipides se déplacent à une vitesse moyenne de 2 µm /seconde). De même ces molécules peuvent subir des rotations sur elles mêmes. I.4.La fluidité membranaire I.4.1.Une diversité de mouvements et leurs conséquences De manière bien plus rare, les lipides membranaires peuvent « basculer » d’un feuillet membranaire à l’autre :il s’agit du mouvement flip flop(ou de bascule), qui peut être accéléré par une enzyme (souvent qualifiée de manière générale de flippase). I.4.La fluidité membranaire I.4.1.Une diversité de mouvements et leurs conséquences Dans le détail, on distingue en réalité les flippases (au sens strict) qui réalisent une bascule lipidique de la face extracellulaire vers la face cytosolique au niveau de la membrane plasmique, les flippases qui réalisent le mouvement inverse (de la face cytosolique vers la face extracellulaire), et les scramblases de la membrane du réticulum qui réalisent des mouvements dans les deux sens. I.4.La fluidité membranaire I.4.1.Une diversité de mouvements et leurs conséquences Les mouvements de flip-flop expliquent les différences de composition lipidique entre les deux feuillets des membranes biologiques. Ainsi le feuillet externe des membranes plasmiques est riche en phosphatidylcholine, glycolipides et en cholestérol, alors que le feuillet interne de ces membranes est enrichi en phosphatidylsérine et phosphatidyléthanolamine. I.4.La fluidité membranaire I.4.1.Une diversité de mouvements et leurs conséquences La fluidité membranaire, permet par déplacements latéraux, des mouvements importants des constituants membranaires et ainsi leurs rencontres, indispensables dans de nombreux phénomènes biologiques (ex: certains récepteurs hormonaux doivent se dimériser pour pouvoir transduire un message ; au niveau de la chaine respiratoire, le transport d’électrons d’un complexe à un autre est permis par le mouvement de petites molécules lipidiques au sein de la membrane interne de la mitochondrie). I.4.La fluidité membranaire I.4.2. Modulation de la fluidité membranaire La fluidité latérale au sein des membranes dépend de leur composition. En particulier, la nature des chaines hydrophobes des phospholipides intervient à deux niveaux : plus ces chaines sont courtes et /ou insaturées, la fluidité est importante. En effet, les courtes longueurs et surtout les doubles liaisons (qui forment des coudes dans les chaines) augmentent l’instabilité de la membrane, ce qui facilite les déplacements. I.4.La fluidité membranaire I.4.2. Modulation de la fluidité membranaire Le cholestérol présente un effet tampon par rapport à la fluidité et à la température : aux faibles températures il a tendance à déstabiliser la structure membranaire et augmente la fluidité, alors qu’aux température plus élevées (et en particulier à celle de l’organisme humain) sa faible mobilité stabilise la structure membranaire et diminue la fluidité. Sa présence permet ainsi de maintenir une fluidité relativement stable quelle que soit la température. I.4.La fluidité membranaire I.4.2. Modulation de la fluidité membranaire Les jonctions serrées présentes au niveau des épithéliums, permettent de limiter la fluidité membranaire : la diffusion des composants de la membrane (dont les protéines) n’est pas possible à leur niveau, ce qui permet de maintenir des membranes avec des compositions protéiques différentes, et ainsi des rôles différents, garantissant le maintien de la polarité apico-basale des épithéliums. I.4.La fluidité membranaire I. 4. 3. Les radicaux lipidiques En enrichissement local en cholestérol et en sphingolipides conduit à la formation d’un radeau lipidique. Il s’agit d’une portion de membrane présentant une épaisseur légèrement plus importante (du fait d’une longueur des sphingolipides légèrement supérieures à celles des glycérophospholipides), ainsi qu’une fluidité très limité(lipides à longues chaines et « rigidification » par le cholestérol. I.4.La fluidité membranaire I. 4. 3. Les radicaux lipidiques Ainsi les protéines présentes au niveau d’un radeau lipidique restent au sein de cette structure membranaire : ceci permet de créer des microdomaines membranaires regroupant spécifiquement les protéines dont la coopération est nécessaire à la réalisation d’une fonction biologique. I.4.La fluidité membranaire I. 4. 3. Les radicaux lipidiques Par exemple: certains récepteurs hormonaux de la membrane plasmique nécessitent une étape de dimérisation (regroupement de deux récepteurs), ou activent des protéines insérées dans la membrane ou ancrées dans celle-ci : cette dimérisation est ainsi rapide, et la réponse biologique accélérée. I.4.La fluidité membranaire I. 4. 5. La synthèse de quelques composés membranaires : quelques notions La synthèse des constituants membranaires se déroule à l’intérieur de la cellule, essentiellement au niveau du réticulum endoplasmique. Les lipides sont ainsi synthétisées par le REL, alors que les protéines sont synthétisées au niveau de REG. I.4.La fluidité membranaire I. 4. 5. La synthèse de quelques composés membranaires : quelques notions Les vésicules issues du réticulum aboutissent à l’appareil de Golgi ou’ un tri et un adressage permettent d’orienter les protéines membranaires vers leur membrane de destination. La fusion entre la membrane de la vésicule et la membrane plasmique ou de l’organite de la destination permet de facto le transfert de lipides membranaires.