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Membrane plasmique : structure et fonctions
La stabilité de la composition du
milieu intérieur de la cellule est indispensable au maintien
des activités métaboliques. La cellule doit importer des
molécules indispensables à sa structure et à son
fonctionnement ; elle doit évacuer les produits toxiques dus
au métabolisme. La membrane plasmique qui entoure toutes les
cellules règle ce flux bidirectionnel grâce à sa perméabilité
sélective.
Vers 1925 : isolement des membranes plasmiques de globules
rouges par lyse osmotique et centrifugation (fantômes: ghost):
la membrane plasmique est composée de lipides et de protéines
Vers 1950: mise en évidence de la bicouche lipidique
membranaire grâce à la microscopie électronique, à la
diffraction des rayons X et aux expériences sur les membranes
artificielles de phospholipides (images en rail). Epaisseur 50
nm (environ 50 atomes).
I. Lipides membranaires
Les lipides membranaires sont des molécules amphiphiles qui forment spontanément des bicouches en milieu aqueux ( amphiphile = molécule ayant une extrémité hydrophyle (polaire) et une extrémité hydrophobe (apolaire). Les bicouches de lipides membranaires sont capables d'autoassemblage et d'autofermeture en présence d'un milieu aqueux (modèle de la bicouche de Singer et Nicholson). Ainsi une émulsion de phospholipides dans l'eau donne lieu à la formation de liposomes, petites sphères entourées par une bicouche lipidique.
A. Les lipides membranaires sont
les phospholipides, le cholestérol et les glycolipides
A.1. les
phospholipides : exemple: la phosphatidylcholine ;
c'est une molécule complexe formée de choline ( une substance
basique), de phosphate, de glycérol et de deux chaînes d'acide
gras. La choline et le phosphate forment l'extrémité
hydrophile de la molécule, les deux chaînes d'acide gras
forment l'extrémité hydrophobe. Il y a d'autres phospholipides
(phosphatidylsérine, phosphatidyl éthanolamine ,
sphingomyéline..... )
La longueur des acides gras des phospholipides est variable
(14 à 24 atomes de carbone) . Dans la membrane des eucaryotes,
chaque molécule de phospholipide possède un acide gras saturé
et un acide gras insaturé avec une ou plusieurs liaisons cis.
Les liaisons entre les queues d'acide gras sont le fait de
liaisons hydrophobes et de force de Van der Waals.
A.2. Le cholestérol : cette molécule est très abondante dans
les membranes plasmiques des eucaryotes (elle est absente chez
les procaryotes; elle est remplacée par l’ergostérol chez les
champignons de type candida) ; il peut y avoir jusqu'à une
molécule de cholestérol par molécule de phospholipide.
La molécule de cholestérol a une extrémité polaire (radical OH
du premier cycle carbonique), un noyau central rigide (la
structure polycyclique ) et une extrémité apolaire . Le
cholestérol s'intercale entre les molécules de phospholipides.
Le noyau stéroïde immobilise les régions des chaînes
hydrocarbonées des phospholipides en regard.
. le cholestérol rigidifie la membrane
. il diminue la perméabilité membranaire aux molécules
hydrosolubles
. il empêche la gélification de la membrane en évitant la
cristallisation des chaînes d'acides gras entre elles. Il
permet de régler la température de transition gel-sol dans la
membrane.
Des cellules mutantes qui sont incapables d'effectuer la
synthèse du cholestérol se lysent rapidement sauf si du
cholestérol est ajouté au milieu de culture.
A.3. Les
glycolipides
Ces molécules peu abondantes ( moins de 5 % des lipides
membranaires) sont composées d'une partie lipidique qui est
insérée dans la bicouche et d'une groupement
oligosaccharidique ( un ou plusieurs sucres ) qui pointe à
l'extérieur de la membrane plasmique.
Ex: galactocérébroside, un constituant majeur de la myéline
(gaine des nerfs) .
Il n' y a pas de glycolipide dans le feuillet lipidique
interne. Les glycolipides sont synthétisés par l'appareil de
Golgi (à la différence des phospholipides et du cholestérol
qui sont synthétisés par le réticulum endoplasmique) .
Le rôle des glycolipides est encore mal connu ; ils
interviennent dans les interactions cellule-cellule
(interaction myéline-axone pour le galactocérébroside ); ils
peuvent être des récepteurs pour des substances
extracellulaires. Ainsi la toxine cholérique est captée par un
glycolipide, le GM1, à la surface de la cellule intestinale.
- La
mobilité des molécules de lipides à l'intérieur de la
membrane plasmique est hyperrapide à l'intérieur d'une même
couche (107 fois/seconde ).Ceci permet la diffusion latérale
rapide des molécules insérées dans la membrane à l'intérieur
de la même couche ( ex: une molécule de protéine peut
parcourir 2 µ / seconde). De plus il existe une mobilité des
molécules lipidiques autour de leur axe et des mouvements de
flexion des acides gras. La bicouche se comporte comme un
liquide bidimensionnel (modèle de la mosaïque fluide).
Par contre la mobilité des lipides est hyperlente d'une couche
à l'autre (1 bascule toutes les 2 semaines) : il y a donc
quasi absence de flip - flop des phospholipides . Ceci permet
de conserver une asymétrie de composition phospholipidique
dans les deux feuillets de la bicouche. Cette asymétrie est
importante sur le plan fonctionnel : ex: dans la membrane du
globule rouge, le feuillet interne de la bicouche est plus
fluide que le feuillet externe .
Dans le réticulum endoplasmique, lieu de synthèse des
membranes cellulaires, il y a des enzymes qui favorisent le
flip-flop des phospholipides : les translocateurs ou flippases.
Le cholestérol , molécule plus petite et moins polaire que les
phospholipides, est par contre plus apte à basculer d'un
feuillet à l'autre , il peut subir un flip-flop. Ceci permet
d'équilibrer la fluidité membranaire entre les feuillets de la
bicouche. La fluidité de la membrane dépend de sa composition
:
Une membrane biologique peut être considérée comme un liquide
bidimensionnel qui possède une certaine fluidité. La fluidité
membranaire augmente :
* si les chaînes hydrocarbonées des phospholipides sont
courtes (les chaînes d'acides gras forment moins
d'interactions hydrophobes entre elles )
* si les chaînes hydrocarbonées ont des doubles liaisons
(l'angulation formée par la ou les liaisons cis gênent les
interactions entre acides gras )
La fluidité membranaire varie aussi avec le taux de
cholestérol:
* si le taux est trop bas, les acides gras des phospholipides
s'associent trop étroitement car ils ne sont plus séparés par
les molécules de cholestérol: il y a "gélification " des
acides gras et baisse de la fluidité.
* si le taux de cholestérol est élevé , il y a une
rigidification de la membrane par les interactions
cholestérol-phospholipides
La fluidité membranaire régule la perméabilité, la mobilité
cellulaire, l'endocytose, et module l'activité de protéines
membranaires ( transporteurs, récepteurs...).
Chez certains animaux, la composition lipidique de la membrane
plasmique se modifie afin de mieux résister au froid
(augmentation des acides gras insaturés).
II.
Protéines membranaires
Les protéines
qui sont de grosses molécules, sont moins nombreuses que les
molécules de lipides mais représentent 50-70 % de la masse de
la membrane plasmique ; les lipides, plus nombreux en nombre,
constituent 30 à 50 % de cette masse .
Les lipides servent de solvant pour les protéines
membranaires. Les protéines membranaires flottent dans la
bicouche de phospholipides: c'est le modèle de la mosaïque
fluide (modèle de Singer et Nicholson). Lipides et protéines
sont maintenus ensembles par des liaisons non covalentes.
A. Caractéristiques chimiques des protéines : les protéines sont
des polymères fabriqués à partir de 20 acides aminés enchaînés
par la liaison peptidique (structure primaire).
NH2 - CH- COOH + NH2 - CH - COOH -------> NH2 -- CH- CO-NH - CH - COOH + H2O
R1 R2 R1 R1
Les chaînes latérales des acides aminés qui
peuvent être de nature basique, acide, polaire (hydrophile),
apolaire (hydrophobe) ou neutre expliquent la diversité des
fonctions biochimiques des protéines (voir L'Essentiel en
Biologie Cellulaire, pages 62-63).
Les protéines peuvent s’agencer en hélice ou en feuillet ß
(structure secondaire). L’agencement des hélices , des
feuillets ß et des zones amorphes gouverne la forme des
protéines dans l’espace (structure tertiaire). Les
interactions entre 2 ou plusieurs chaînes de protéines sont
responsables de la structure quaternaire. Structure
secondaire, tertiaire et quaternaire sont gouvernées par les
interactions entre les chaînes latérales des acides aminés,
donc par la structure primaire, elle-même codée par le code
génétique d’après la séquence de l’ADN.
B. Les protéines membranaires
périphériques
Ces protéines sont liées par des forces ioniques aux
extrémités hydrophiles des phospholipides ou à des protéines
intégrées dans la membrane ; les protéines périphériques sont
facilement détachées de la membrane par des solutions
hypersalines à force ionique élevée (NaCl). Les protéines
périphériques peuvent être situées sur le versant interne (spectrine,
actine) ou sur le versant externe de la membrane
(glycoprotéines).
C. Les protéines membranaires intégrées
C.1. elles représentent la majorité des protéines membranaires
C.2. elles sont amphiphiles : elles possèdent des régions
hydrophobes et hydrophiles. Les régions hydrophobes sont
constituées d'acides aminés ayant des chaînes latérales
hydrophobes (leucine, valine). Ce sont les zones d'insertion
des protéines dans la bicouche lipidique hydrophobe. Les
protéines sont orientées dans la membrane.L’enchaînement des
acides aminés hydrophobes est replié en hélice α (structure secondaire); les
chaînes hydrophobes des acides aminés sont orientées vers
l'extérieur de l'hélice et contractent des liaisons
hydrophobes avec les chaînes aliphatiques des acides gras des
phospholipides. Les liaisons peptidiques, polaires, sont
situées à l'intérieur de l'hélice; l'hélice
α qui traverse la bicouche lipidique a une longueur de
16 à 18 acides aminés (épaisseur de la membrane = 5 nm ) .
- certaines protéines traversent plusieurs fois la membrane
(ex de la glycoprotéine P 180, responsable de la résistance
multidrogue); ces protéines possèdent plusieurs régions
hydrophobes enroulées en hélice α
insérées dans la bicouche lipidique ; les régions hydrophobes
sont séparées par des régions hydrophiles situées à
l'extérieur de la bicouche. Pour beaucoup de protéines en
faible abondance, la preuve directe d’une insertion
transmembranaire n’est pas apportée: ce passage probable est
déduit de la séquence en ADN qui code pour 16-18 acides aminés
hydrophobes (séquence consensus).
C.3. la solubilisation des protéines membranaires intégrées nécessite des détergents ( ex: sodium dodécylsulfate) ; les détergents sont des molécules amphiphiles dont les groupes hydrophobes viennent s'associer aux régions hydrophobes des protéines tandis que les groupements hydrophiles s'orientent vers le solvant . Les détergents solubilisent les lipides et libèrent les protéines de la bicouche . Il suffit ensuite d'enlever le détergent par dialyse pour récupérer des protéines membranaires purifiées.
C.4. les chaînes hydrophiles extramembranaires sont tournées vers l'extérieur ou l'intérieur de la cellule. La chaîne extracellulaire peut être, par exemple, un récepteur pour une hormone. La fixation de l'hormone modifie la conformation spatiale du récepteur ; il y a ensuite transduction du signal vers le site actif de la protéine situé sur la chaîne hydrophile du versant cytoplasmique ; le site est activé, il y alors fixation et transformation du substrat si le site actif est doué d' une activité enzymatique .
C.5. Protéines liées à des
lipides membranaires par une liaison covalente
Certaines protéines des cellules eucaryotes sont liées à la
membrane par des acides gras ou des phospholipides situés à
l’intérieur des feuillets lipidiques.
* la protéine Thy-1 , commune aux différentes classes de
lymphocytes T est reliée à la membrane par un glycolipide
complexe fait de plusieurs molécules de sucres, de l’inositol
branché sur un glycérol et deux molécules d’acides gras
intramembranaires.
* la protéine P 60 v-src , mutée par rapport à la protéine
normale c-src, est reliée à la membrane par une chaîne d’acide
myristique. Cette protéine qui est une kinase située à la face
endoplasmique a une activité transformante (permet la
cancérisation). Si on remplace la glycine terminale par un
autre acide aminé (mutation dirigée), la protéine ne peut plus
se lier à la membrane et perd son activité transformante.
* de même , la protéine p21 ras est liée par une liaison
thioether à un résidu farnésyl intramembranaire. Si la liaison
ne peut se faire à cause d’une mutation au niveau de la
cystine terminale, la protéine perd son activité
transformante.
C.6. Rôle des protéines
membranaires
Elles peuvent être
* des transporteurs
* des enzymes catalytiques de réactions associées à la
membrane
*des protéines de liaison de cellules entre elles ou à la
matrice extracellulaire
* des récepteurs pour les hormones, lymphokines, facteurs de
croissance
C.7.
L'activité des protéines de la membrane plasmique est modulée
*par la composition en phospholipides
membranaires: certains groupements chimiques des
phospholipides activent ou inhibent l'efficacité des protéines
: ces mécanismes de régulation de proximité , très fins et
encore mal connus , expliquent la nécessité de la diversité de
la composition membranaire en phospholipides .
Exemple de la protéine kinase C : cette enzyme est liée à la
face cytoplasmique de la bicouche; si elle est entourée des
charges électronégatives portées par la phosphatidylsérine,
l'activation de l'enzyme est favorisée.
* par la fluidité membranaire : la fluidité membranaire est
plus élevée au niveau de la couche interne de la bicouche ;
ceci est du à la richesse de cette couche interne en
phosphatidyléthanolamine et en phosphatidylsérine. La couche
externe de la bicouche est moins fluide du fait de l'abondance
en phosphatidylcholine et en sphingomyéline . Cette asymétrie
de composition en phospholipides entre les deux versants de la
bicouche est provoquée par des translocateurs de
phospholipides; ces translocateurs sont des enzymes qui
favorisent le " flip flop " des phospholipides au niveau de
leur lieu de synthèse : le réticulum endoplasmique.
C.8. Mobilité des protéines
Les protéines se déplacent dans la couche lipidique (
diffusion latérale) en gardant toujours leur polarité (absence
de flip-flop ) .
exemple : la mobilité latérale des antigènes membranaires peut
repérée par des anticorps fluorescents : phénomène de "patching"
chez le lymphocyte et répartition progressivement homogène des
antigènes dans les cellules hybrides homme-souris .
C.9. Méthodes d'études des
protéines membranaires
Les protéines membranaires peuvent être étudiées grâce à
l'électrophorèse sur gel de polyacrylamide
* les protéines de membrane sont solubilisées par du sodium
dodécyl sulfate (SDS) qui chargent négativement les protéines
* on dépose la solution de protéines sur un gel de
polycrylamide (ce gel forme un réseau polymérique à mailles
plus ou moins serrées).
* les protéines migrent dans un champ électrique
* la vitesse de migration dépend du poids et de la forme de la
molécule
* on colore les protéines par un colorant des protéines (bleu
de Coomassie)
* on obtient des bandes.
On peut transférer les protéines sur une feuille de
nitrocellulose grâce à un champ électrique (technique du
Western Blot). Sur le Western Blot, on peut faire agir des
anticorps spécifiques (monoclonaux ou polyclonaux) dont la
présence est révélée grâce à la radioactivité, la fluorescence
ou des réactions enzymatiques. Le western blot permet de
caractériser et de quantifier la présence d'une protéine, même
si elle est présente en faible quantité.
Exemple : électrophorèse des protéines de la membrane du
globule rouge: on peut reconnaître trois protéines
principales:
* la spectrine : c'est une protéine fibreuse de soutien située
à la face interne de la membrane ; c'est un dimère associant
une chaîne alpha et une chaîne beta enroulées en double hélice. Ce
dimère de spectrine est ancré de façon mobile à l'ankyrine ,
elle même liée à la bande III et à l'actine du cytosquelette
intracellulaire . La spectrine assure par sa rigidité la forme
biconcave du globule rouge ;
l'ancrage mobile assure la déformabilité de la membrane et
permet au globule rouge de se faufiler dans les capillaires.
Une spectrine anormale; incapable de se fixer à l’ankyrine,
est responsable de la microsphérocytose (maladie de
Minkovski-Chauffard traitée par splénectomie).
* la bande III : c'est une protéine homodimère
qui traverse 14 fois la membrane; cette protéine assure
l’échange de l'ion HCO3- contre l’ion Cl-. La partie
intracytosolique arrime la bande III à l'ankyrine et à la
spectrine.
- Dans les tissus périphériques, l’érythrocyte se charge en
CO2 qui diffuse librement à travers la membrane. Un enzyme, l’anhydrase
carbonique dissocie le CO 2 en HCO3- et H+ : CO2 + H2O ---->
HCO3- + H+ . Le HCO3- est expulsé dans le plasma par la bande
III. Le H+ est capté par l’hémoglobine désoxygénée.
- Dans les capillaires pulmonaires, le HCO3- est repompé dans
la cellule par la bande III en échange de Cl-. Le proton est
libéré par l’hémoglobine oxygénée. Du gaz carbonique est
reformé par l’anhydrase carbonique puis expulsé dans les
alvéoles pulmonaires.
Ce processus permet de transporter des quantités énormes de
CO2 sous la forme de HC03- soluble dans le plasma, alors que
le C02 gazeux est peu soluble dans les liquides. L’expulsion
du HC03- évite l’alcalinisation (augmentation du pH)
intracellulaire qui serait délétère pour l’hémoglobine.
* la glycophorine: c'est une protéine qui ne traverse la
membrane qu'une seule fois . La portion extracellulaire est
fortement glycosilée ; elle porte en particulier des résidus
d'acide sialique qui sont responsables de la charge de surface
électronégative du globule rouge ; la répulsion des charges
négatives de deux globules proches empêche la formation d'amas
globulaires en rouleaux qui gêneraient la circulation dans les
capillaires
III.
Glucides membranaires
Les cellules eucaryotes possèdent des glucides
à la surface extracytoplasmique de la membrane (mais jamais à
la face intracytoplasmique de la bicouche). Les glucides sont
liés aux protéines membranaires (glycoprotéines) ou à certains
lipides (glycolipides). Le poids des glucides dans la membrane
varie de 2 à 10 % de son poids total.
Les principaux glucides membranaires sont: le galactose, le
mannose, la galactosamine, la glucosamine, le glucose et
l'acide sialique.
Les glucides peuvent être mise en évidence en microscopie
électronique grâce au rouge de ruthénium. La microscopie
électronique permet de mettre en évidence un feutrage
pericellulaire de résidus glucidiques : le glycocalyx (manteau
cellulaire = cell coat).
Les glucides complexes forment des chaînes polysaccharidiques
complexes, plus ou moins ramifiées, liées de façon covalente
aux protéines ou aux lipides. Il peut s'agir aussi de
protéoglycanes (dans ce type de molécules la partie glucidique
est plus abondante que la partie protéique ; dans les
glycoprotéines , au contraire , c'est la protéine qui est plus
abondante). Les protéoglycanes sont sécrétés puis adsorbés à
la surface cellulaire sans liaisons covalentes. Les
protéoglycanes appartiennent à la substance fondamentale de la
matrice extra-cellulaire : la limite est donc floue entre les
glucides de la membrane et ceux de la matrice extracellulaire.
Les glucides stabilisent la conformation des structures
tertiaires de la portion extra-cytoplasmique des protéines
membranaires. Ils facilitent l'hydratation des protéines par
la rétention d'eau liée au contact de la cellule.
Les glucides jouent un rôle important dans les interactions
cellules-cellules. La complexité des polysaccharides suggère
qu'ils sont impliqués dans la reconnaissance cellule-cellule ;
les lectines (exemple: la phytohémagglutinine extraite d'un
haricot) sont des sucres capables d'activer des lymphocytes en
se liant aux glycoprotéines de surface de cette cellule. Les
sucres membranaires assurent la reconnaissance et l'arrimage
du spermatozoide sur l'ovaire. Les cellules sanguines
vieillies qui ont perdu des résidus d'acide sialique sont
reconnues puis détruites par macrophages du foie et de la rate
qui ont des récepteurs membranaires à l'asialo-GM1.
Les glucides accroissent la solubilité et stabilisent la
conformation tridimensionnelle des parties extracytoplasmiques
des protéines ; ils participent à la création de la forme des
récepteurs ce qui permet leur interaction avec le messager
circulant (hormones ou facteurs de croissance).
L'acide sialique assume la négativité du potentiel électrique
externe de la membrane ; cette charge joue un rôle dans la
répulsion des cellules entre elles (cf supra).
Les charges négatives ont un rôle de filtre pour les
substances chargées négativement (au niveau de la membrane
basale glomérulaire, notamment) et facilitent l'adsorption de
substances chargées positivement (héparan-sulfates)
Les antigènes de groupe sanguins ABO sont des glycolipides
insérés dans la membrane plasmique des érythrocytes. Ils sont
composés de sucres complexes reconnus par des anticorps
naturels du plasma.
Le glycocalyx (manteau cellulaire) est en continuité avec les
polysaccharides adsorbés à la surface de la cellule. Il a un
rôle dans la protection des surfaces cellulaires. ex: le mucus
des cellules intestinales, en continuité avec le glycocalyx
des bordures en brosse.
IV.
Domaines membranaires
La membrane est organisée en macro-domaines spécialisés
(exemple microvillosités intestinales) qui ont une composition
particulière en protéines et en lipides ; ces macrodomaines
spécialisés sont limités par des frontiéres (tight junctions)
ou par l’organisation sous jacente du cytosquelette (villine
des microvillosités). On distingue dans les cellules
polarisées (exemple de la cellule intestinale) deux
macrodomaines membranaires (domaine apical, domaine
baso-latéral)
On note aussi des microdomaines de type raft (radeau)
réalisant une différenciation locale de la membrane (taille
70–350 nm). Les phospholipides et les protéines des rafts sont
particuliers (sphingomyéline, glycosphingolipides, protéines
de signalisation de type kinase) ; ce sont des zones de
transduction de l’information.
Les cavéoles sont une autre variété de microdomaines
caractérisée par la présence d’une protéine spécifique, la
cavéoline (22 kDa). Les cavéoles interviennent dans la
transcytose et l’endocytose.
REPRODUCTION COMPLETE OU PARTIELLE INTERDITE