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L’ARCHITECTURE MEMBRANAIRE Les eucaryotes et procaryotes possèdent une membrane plasmique qui sépare deux milieux riche en eau. Elle isole le milieu intérieur du milieu extérieur. Chez les procaryotes, elle délimite et protège le cytosol. Les eucaryotes ont un réseau de membrane interne construit sur le même principe que la membrane plasmique, et qui forme les compartiments intracellulaires qui ont pour but d’éviter les interférences avec les autres compartiments. On appelle ces membranes : les cytomembranes. L’ensemble mp + cytomembrane = mb biologique. Les protozoaire sont des eucaryotes unicellulaire à l’opposé des métazoaire (pluricellulaire). Ces membranes sont une barrière sélective entre le cytoplasme et les compartiments. Elles sont en relation avec la membrane sans avoir de réel contact. Il y aura un flux membranaire qui se fera grâce à des bourgeonnements et fusion sauf pour le noyau. Ces relations permettent de maintenir l’intégrité cellulaire. Ces différentes membranes sont indispensables à la vie car elle permette l’homéostasie cellulaire cad permettent aux cellules de conserver les différentes concentrations intracellulaire : cytoplasme et compartiments ; milieu intérieur et extérieur. La membrane plasmique remplit un certain nombre de fonction : -

Transport : permet de réguler le transport des molécules. C’est un filtre hautement sélectif qui contrôle l’entrée des substances nutritives et la sortie des déchets et des produits de sécrétion.

-

Capteur : capte les signaux extérieur et relaye les informations à l’intérieur grâce à des protéines transmembranaires = récepteurs. La cellule peut donc répondre au changement de son environnement, importante pour la signalisation cellulaire. exemple : les hormones liées aux récepteurs qui induisent une cascade de réaction.

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Impliqué dans les phénomènes de mouvement et d’expansion cellulaire grâce à des protéines membranaires liées à des structures filamenteuse cytosquelette (changement de forme).

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Fonction de communication :la membrane réalise des contacts entre les cellules voisine en créant des systèmes de reconnaissance et liaison (cellule-cellule = tissu ou cellule-MEC = cohésion tissulaire)

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Permet de maintenir des différences de concentration indispensable à la vie.

La MEC est un est une substance fondamentale fibreuse et amorphe dans laquelle baignent des cellules isolées, qui maintient la cohésion cellulaire et tissulaire.

I-

Les membranes biologiques : architecture de base

Toutes les membranes cellulaires sont constituées d’un film lipidique qui possède des protéines membranaires lié de façon non covalente. Elle est constituée de 2 feuillets lipidiques accolés formant une bicouche lipidique. C’est la base universelle des membranes. Elle est une barrière perméable. (feuillet non observable en MO mais aspect triaméllaire observable MET). L’épaisseur est d’environ 7 nm, mais elle peut varier en fonction du type cellulaire ou du type de membrane. Ex :Mb du RE un peu plus fine Un lipide est constitué d’une tête hydrophile et d’une chaine hydrophobe. Les têtes sont en contact des solutions aqueuses et réagissent avec le tétraoxyde d’osmium (osmiophile), elles apparaissent donc dense

aux électrons. Les chaines ne réagissent pas avec ce tétraoxyde, ce qui forme un unique feuillet osmiophobe avec les deux chaines puisqu’elle ne se colore pas et apparaissent sous une couleur claire en MET.  On parle d’aspect trilamellaire Feuillet dense osmiophile (tête) 2 nm = MP environ 7nm Feuillet osmiophobe (chaine) 3 nm Feuillet dense osmiophile 2nm Il existe des protéines dans cette membrane : -

Protéine transmembranaire (70%, 2/3) : traverse la bicouche, amphiphile et sont souvent glycosylées. Protéine périphérique (18%, 1/3) : faiblement associé à la bicouche et se trouve sur les deux faces de la bicouche, intra ou extra. Lié à la mb de façon non covalente, , interaction PTM-Ppériph. Protéine à ancre lipidique, ancré dans la bicouche de part de d’autre par un AG. Ces protéines assurent la plupart des fonctions de la membrane et lui donne ses caractéristiques alors que les lipides donne la structure à la mb.

La glycosylation : C’est un sucre étroitement lié à une protéine ou à un lipide par des liaisons covalentes. C’est un feutrage filamentaire de nature glucidique sur la face externe de la membrane plasmique : cell coat ou glycocalyx. Dans les compartiments, les sucres sont retrouvés du côté de la lumière du compartiment, et ne prenne pas le nom de cell coat La glycosylation se fait uniquement vers le milieu extra cellulaire. Les protéines seront glycosilée vers la lumière de l’organite. Il y n’y a jamais de glycosylation sur le côté cytosoliques.

II- Analyse biochimique des membranes cellulaires A. Modèle d’étude : La membrane plasmique de l’hématie/ globule rouge / érythrocyte. C’est une cellule eucaryote hyper spécialisée de 7 micromètres de diamètre, elle est produite par la moelle osseuse à partir d’une cellule souche. Elle a perdu son noyau et ses organites ; c’est un sac remplit d’hémoglobine dont le rôle est de transporter de l’oxygène jusqu’au tissu avec un atome de Fe qui est dense au élections. Il sera donc beaucoup plus facile d’isolé sa mb. Elle est en équilibre osmotique (9g de Na pour 1000g d’eau) à l’intérieur et l’extérieur. Comme elle n’a pas de cytomembrane, on va jouer sur la pression osmotique. Une solution hyper concentré est dite hypertonique et inversement hypotonique est la moins concentré. -On plonge la cellule dans un milieu hypotonique. L’eau passe du compartiment hypotonique à hypertonique, c’est l’osmose. -L’hématie gonfle et forme des micro-ruptures/pores sur sa membrane, elle se vide de l’Hb, c’est l’hémolyse. -On obtient un fantôme d’hématie, ghost hématie. La membrane se réorganise ensuite pour se ressouder car c’est énergétiquement défavorable d’avoir des trous. -On centrifuge les membranes (culoter) pour déterminer sa composition biochimique. On obtient sa composition : o 52% de protéines o 40% de lipides,

o 8% de sucres (% de masse). En fonction de type cellulaire cette composition varie : 50 molécules de lipides pour 1 protéine.

B. Les lipides membranaires Toutes les membranes cellulaires sont composées de 3 types de lipides qui varient en fonction du type cellulaire : Les phospholipides : 50% Cholestérol : 25% (absent de la membrane plasmique des végétaux. Glycolipides : 20% Ils combinent deux propriétés : Tête polaire ou hydrophile en contact avec le millieux acqueux. Chaine carbonée apolaire ou hydrophobes  On parle de Molécules amphiphiles Les AG sont composé d’une chaine carbonée hydrophobe, ils ont pour formule CH3-(CH2)n-COOH. La présence d’une double liaison est responsable de la plicature de la chaine, on parle d’AG insaturé. La plicature est aussi responsable de la fluidité membranaire. En effet l’encombrement stérique de l’AG est restreint tout comme sa taille, il peut donc moins s’insérer dans le feuillet. Il est donc plus mobile dans la bicouche. Les AG insaturés dérivent des graisses végétales et sont liquide à température ambiante. Ex : huile Les AG saturés sont issus de graisses animales et sont solide à température ambiante. Ex : beurre On peut former des triglycérides grâce aux AG ; ils permettent de faire un stockage de molécules lipidiques et ils entrent dans la composition des gouttelettes lipidiques. On a une molécule de glycérol ou se fixe 3 AG (2 saturé et 1 insaturé) par estérification. Tous ces composés sont aliphatiques.

1- la composition lipidique a- les phospholipides Ce sont les plus abondants dans la membrane cellulaire. Ils sont composés d’un AG saturé et d’un AG insaturé. Ils sont accroché a une molécule de glycérol qui elle même est rattaché a un phosphate par groupement OH. Le phosphate est relié à un groupement polaire variable. Il existe 2 groupes de lipides : les phosphoglycérides : le groupement de tête varie : o P choline : la plus fréquemment trouvé o P éthanolamine : assez fréquent o P sérine : chargé négativement et assez fréquente o P inositol (cycle) : important pour la signalisation cellulaire, localisé sur le feuillet interne, il est minoritaire. les sphingolipides : Ils sont construits sur une céramide, les sphingolipides sont des dérivés de la sphingosine. Sphingosine + 1 AG saturé  céramide + P + choline  sphingomyéline On la trouve dans les gaines de myéline. -

b- le cholestérol C’est un stérol qui entre dans la composition de toutes les membranes cellulaire animales sauf la membrane interne des mitochondries. Il est absent chez les végétaux, les eucaryotes primitifs (comme la levure) et absent chez les procaryotes. Les plantes et levures possèdent d’autres stérols. C’est une molécule amphiphiles qui possèdent un groupement OH hydrophile au niveau de sa tête. Puis il y a 4 cycles qui rigidifie le cholestérol. C’est une molécule plus compact et plus courte que les phospholipides ce qui lui permet de s’intercaler entre les phospholipides dont la double liaison laisse un espace important. Il rigidifie donc la BC et la rend moins perméable. On peut l’utiliser comme marqueur de la MP. Il y en a moins dans les cytomembranes ce qui nous permet de les différencier de la MP. c- les glycolipides Ils ressemblent à l’organisation de la sphingomyéline car il sont construit sur une céramide. Ce sont aussi des molécules amphiphiles. Ils ont 2 chaines hydrocarbonées, une tête hydrophiles qui peut contenir un ou plusieurs sucres directement liés au céramide. Simple : Galactocérébroside (1 sucre : le galactose) : il est important dans les gaines de myéline qui protège les fibres nerveuses, c’est leur constituant principal. Sa concentration est finement régulée. Si il y a un problème dans son métabolisme cela entraine une leucodystrophie : maladie de Krabbe (orpheline) =maladie de surcharges lysosomales  Un déficit d’une enzyme du lysosome, la galactocérébrosidase, empêche la dégradation du glycoL, il se retrouve donc en surcharge et entraine la destruction des cellules produisant la myéline. Cela entraine une perte d’ouie, de tonus musculaire, de vue. Il faut faire une greffe de Mo.O. Complexe : ganglioside GM1 (1 céramide et plusieurs sucres) : présence d’acide syalique (NANA) qui lui confère une charge négative. Il est abondant dans les cellules nerveuses et est la cible de certaines toxines et notamment celle du choléra. Mais aussi du virus SV40 (à ADN) isolé chez le singe qui a permis de comprendre les dogmes en biologie cellulaire. Ce glycoL est leur récepteur.

2- les lipides membranaires forment des doubles couches dans l’eau Le caractère amphiphiles des lipides expliquent leur réarrangement dans l’eau. Ils vont chercher à s’agréger avec d’autres têtes hydrophobes. Ils flottent verticalement et forment un film.  Soit les lipides ont 1 chaine ou 2 chaines saturés, ils ont une forme conique (tête plus large que les chaines) et forment donc des micelles avec la tête à l’extérieur.  Les AG insaturés ont une forme cylindrique et forment une structure en bicouche, les têtes se mettent face a l’eau et les chaines sont en vis-à-vis. La bicouche a tendance à se refermé si on fait une rupture de cette bicouche car c’est énergétiquement défavorable d’avoir des bords. Ont peu déposé des lipides dans une solution et ils se réarrangent et forme un liposome : membrane artificiel uniquement composé de phopholipides.

3- la fluidité de la bicouche lipidique Elle a été étudiée grâce aux liposomes. Les lipides sont capables de mouvements : - Rotation (ps) : tourne autour de leur axe - Flexion (ps) : les chaines des AG peuvent oscillées - Diffusion latérale (ms) : ils échangent leurs places en permanence

-

Flip-flop : basculent d’une monocouche à l’autre, leur tête doit traverser le cœur (1/mois). Il nécessite de l’énergie et est catalysé par des enzymes : flippase. Il peut se produire : o Lors de l’apoptose où les sérines vont basculer de l’autre côté, sur la face externe de la bicouche. o Lors de la biosynthèse des membranes pour répartir les lipides dans la BC (rétablir l’asymétrie).

Le degré de la fluidité dépend : - La température o Plus la température est élevée, plus la membrane est fluide - Nature des chaines hydrocarboné : longueur et insaturation o Plus les chaines sont courtes plus la fluidité est grande o Plus il y a d’insaturation, plus la membrane est fluide - Taux de cholestérol o Plus le taux est faible, plus la membrane est fluide Le feuillet interne est plus fluide grâce au charges négative des sérines qui créer une augmentation du potentiel de surface important pour la signalisation cellulaire.

4- l’asymétrie de la bicouche lipidique La composition des 2 feuillets est différente. On retrouve majoritairement sur la face externe : - P choline - Sphingomyéline Sur la face interne : - P éthanolamine - P Sérine - P Inositol qui peut être mono, bi ou tri phosphaté, on parle alors de phosphoinositide. Ils sont importants pour la signalisation cellulaire, signature membranaire et transduction du signal. On a aussi une asymétrie grâce aux glycolipides qui sont sur la couche externe et constitue en partie le cell coat. Le cholestérol ne participe pas à l’asymétrie, il est réparti entre les feuillets équitablement. Il existe des territoires enrichis en sphingomyéline et cholestérol : lipid raft. Ce sont des zones un peu plus épaisses du fait de la présence sphingomyéline et des AG saturé (longue chaine). Ces zones peuvent se déplacer mais elles sont moins fluides par rapport à leur environnement qui est très fluide. C’est un lieu privilégié de rassemblement des protéines qui s’enchâssent. On a un recrutement de protéine transmembranaire qui sont des récepteurs, de signalisation, des protéines à ancre GPI (face externe) et à ancre lipidique (face interne). Les lipid raft sont important pour la formation de cavéole. Rq : On peut isoler les zones de raft car il sont DRM (résistance aux détergeant).

C. Les protéines membranaires 1- la composition protéique Les protéines ont différentes fonctions : Transports des métabolites, ions, nutriments liaison avec d’autres molécules ou éléments du cytosquelette de part et d’autre de la membrane Récepteur : capte des signaux a l’extérieur de la cellule et les relaye à l’intérieur Enzymes : catalyse des réactions biochimiques à l’intérieur de la cellule surtout dans RE et golgi.

Les protéines sont structurées par un enchainement d’acide aminé linéaire lié entre eux par des liaisons covalentes = liaison peptidique (liaison atome-atome). Tous les acides aminé ont un squelette identique : liaison entre un acide carboxyle à son extrémités C-terminale et un groupement amine du coté N-terminal ce qui définit une polarité. Chaque acide aminé possède une chaine latérale qui lui est propre. AA polaire : chaine latérale dans un milieu aqueux. Ces Aa peuvent être chargés ou non. AA apolaire : les chaines sont repliées à l’intérieur de la protéine. 1) structure primaire des protéines. Ils sont assemblés selon un ordre linéaire : séquence en acides aminés. 2)

La structure secondaire est le repliement local de la structure primaire pour former deux motifs : l’hélice alpha ou le feuillet beta qui sont stabilisés par des liaisons hydrogène. Elle peut se replier en motif non défini.

3)

La structure tertiaire est un repliement de la structure secondaire ce qui lui confère sa fonction  protéine fonctionnelle. Elle fait intervenir les ponts disulfures et sont stabilisé par des liaisons non covalentes (H, VDW, ionique, hydrophobes). On parle de structure 3D qui est intiment lié a la fonction. Si on dénature la structure on perd la fonction. Fonctionnelle ne veut pas dire active. Les petite protéines G alternent entre active et inactive. L’intégrine possède plusieurs sous unités (structure 3D) qui vont former la structure quaternaire de la protéine. Elles sont liées par différentes liaisons (non cov). On parle de protéine multimérique.

2- l’association des protéines membranaires avec la bicouche lipidique En 1935 on pensait qu’il n’y avait pas que des lipides et que les protéines étaient de part et d’autre de la membrane= modèle d’Agnelli. La cryofracture a permis de dire que les protéines traversaient la BC.  Modèle de la mosaïque fluide de Singer et Nicholson (1972) car le comportement et la composition de la membrane est hétérogène dans l’espace et dans le temps (lipides répartit différemment ; protéines différentes entre les deux feuillets et des sucres présent uniquement sur la face externe). De plus les protéines peuvent bouger au sein de la membrane.

3- l’asymétrie des protéines a- les protéines transmembranaires Elles représentent 70% des protéines membranaires. Ce sont des molécules amphiphiles. Elles traversent entièrement la BC soit en une seule hélice α, soit plusieurs hélices α. Les hélices α sont les structures les plus répandues. Si la protéine ne traverse qu’une seule fois la BC, on parle de protéine single pass comme la glycophorine que l’on retrouve exclusivement dans l’hématie. La chaine α expose les chaines latérales hydrophobes à l’extérieur de l’hélice et les chaines latérales hydrophiles à l’intérieur de l’hélice. La stabilisation de l’hélice se fait via les liaisons hydrogène (au niveau du squelette peptidique). Il faut un certain nombre d’AA pour pouvoir traverser la BC (environ 20 pour former une hélice α). Il faut tenir compte du profil d’hydropathie, d’hydrocicité et du nombre d’AA, ainsi on peut prédire le lieu des hélices α grâce à un logiciel. Certaines peuvent réaliser plusieurs passages au sein de la BC (plusieurs hélice alpha). Il y a une alternance des profils hydrophobe et hydrophile. Ce sont des protéines multipass. Exemple : Protéine porteuse ( 12 domaines transmembranaires) Protéine band 3 ( 7-8 domaines TM, R dans l’hématie ) Les passages transmembranaires sont reliés entre eux par des coudes (structures non définie). Ces protéines peuvent former un pore. L’hélice alpha est plus fréquente que le feuillet béta.

Il existe des protéines qui forment un tonneau, ce sont les feuillet béta qui forme des protéines multipass car leur structure de base est le brin β, qui n’est pas stable lorsqu’il est unique. Il a besoin de former des liaisons hydrogène avec d‘autres ce qui crée la protéine en feuillet β. Ces brins β subissent une rotation. La structure est plus étirée que celle des hélices α, il faut alors plus d’AA. Il forme donc un tonneau au sein de la BC comme les porines dans la mp et dans les mitochondries, qui assure le passage de nutriments et d’ions, ou comme les porines bactériennes qui permet de les nourrir. On a aussi des protéines qui sont orientés vers le cytosol comme la cavéoline (protéine non TM) qui ne traverse que la mi-couche interne par une hélice α hydrophobes. On appelle ces protéines des protéines en épingle à cheveux. b- les protéines à ancre lipidique (1 ou plusieurs lipides) Elles sont rattachées à la membrane par un ou plusieurs groupes lipidiques de manière covalente (atomeatome) et ne traverse pas la BC. Elles s’ancrent sur un seul feuillet de la membrane. Les lipides appartiennent complètement à la protéine puisque l’ajout du groupement lipide se fait lors de la traduction de la protéine dans le RE. Il existe différentes classes de protéine qui correspond à différentes classes de réactions biochimiques au cours de la biosynthèse protéique. On pense que les lipides (face interne et externe) vont conférer une grande mobilité aux protéines ancrées. Elle diffuse plus rapidement dans la BC et sont importante dans la signalisation cellulaire. Pour la signalisation cellulaire on trouve : protéine ancré sur la face intracellulaire : concerne la grande majorité des protéines à ancre lipidique. La liaison se fait grâce a un AG soit myristique (ancre myristoylé), soit palmitique (palmitoylé). On peut aussi avoir un groupement prényle (isoprényloylé) qui est un lipide et non un AG. Les petites protéines G sont de ce type en majorité. On retrouve la superfamille des RAS, des RAB et RAF qui sont des protéine a ancre lipidique du côté cytosolique. Ancr...