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Cours de Paces du professeur Montier....

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La Membrane Plasmique I- Considérations générales : A- La membrane plasmique, une barrière et un lieu d’interactions : Frontière/barrière continue séparant le milieu intra et extracellulaire : La membrane plasmique constitue une barrière continue séparant le milieu intra-cellulaire du milieu extra-cellulaire, qui sont 2 milieux très différents, notamment en ions. Elle sépare donc deux milieux aqueux, donc hydrophiles de composition différente. Les concentrations ioniques sont différentes de part et d’autre de la membrane avec notamment beaucoup plus de  à l’extérieur et beaucoup de  et anions fixés dans la cellule. La compartimentation permet d’augmenter les concentrations en substances dans certaines enclaves, ce qui favorise les réactions chimiques cellulaires. Elle contrôle donc ce qui rentre et ce qui sort. La membrane plasmique est imperméable à la plupart des molécules hydrosolubles (protéines, hormones, ions) mais facilement franchie par les molécules hydrophobes (, stéroïdes, anesthésiques généraux comme le pentobarbital…).

Frontière/interaction avec l’environnement de la cellule :  rôles Mais il existe aussi des interactions avec l’environnement au niveau de la membrane, ces interactions possédant 3 rôles principaux : - Adhérence, soit avec les cellules voisines (pour former des tissus) par interaction des membranes des autres cellules, soit avec la matrice extra-cellulaire ; - Communication intra-cellulaire (transduction de signaux) ; - Elle est aussi le siège de transports de matériels : x Avec mouvements de la membrane lors des phénomènes d’endocytose (entrée) et d’exocytose (sortie  sécrétion ; des vésicules interviennent dans ces 2 mécanismes qui sont visibles en ME) ; x Sans mouvements de la membrane lorsqu’il s’agit de petites molécules. Dans ce cas il y a intervention des perméases. La membrane joue donc un rôle prépondérant dans le transport de matériel.

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B- Composition chimique globale : La membrane plasmique est essentiellement composée de : - Lipides (environ % du poids sec) ; - Et de protéines (ici aussi environ % du poids sec). Les lipides et les protéines représentent donc une part équivalente du poids sec de la membrane plasmique. Mais en termes de nombre de molécules, les lipides sont en bien plus grand nombre car leur poids moléculaire est beaucoup plus faible que celui des protéines. C’est pourquoi on dit que la membrane est surtout composée de lipides. En effet, le poids moléculaire des lipides () est inférieur à celui des protéines (). - Les glucides sont en faible quantité, soit environ % du poids sec. Ils ne sont jamais libres (puisque les sucres aiment l’eau mais pas la membrane) mais toujours associés à des protéines (pour former des protéoglycanes ou des glycoprotéines) ou à des lipides (pour donner des glycolipides). De plus, ils sont toujours situés sur la face externe de la membrane pour former le glycocalyx (pour permettre des interactions). Par exemple, la membrane des globules rouges (hématies) est composée de : ▪ 52% De protéines (contre 20% dans la gaine de myéline), ▪ 40% De lipides, ▪ 8% De sucres.

Résumé -

Membrane : compartimentation, adhérence, communication et transports Composition : lipides (50%), protéines (50%) et glucides (5%)

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II- Les lipides membranaires : A-

Les phospholipides :

L’un des deux types principaux des lipides membranaires est celui des phospholipides. Ils portent, comme leur nom l’indique, un groupement phosphate (de charge négative) estérifié par un composé hydrophile (groupement hydroxyle  par exemple) de charge variable. Les phospholipides comprennent les glycérophospholipides et les sphingophospholipides. Il peut être construit sur : - Un glycérol estérifié par 2 acides gras pour former un glycérophospholipide ; - Ou sur une sphingosine (alcool aminé comportant une chaîne aliphatique) amidifiée par un acide gras, ce qui donne un sphingophospholipide (céramide  phosphate  groupement hydrophile).

Ce sont des molécules amphiphiles avec une tête polaire hydrophile (vers l’intérieur ou l’extérieur) et une queue apolaire hydrophobe (qui se disposent en face). Les acides gras des lipides membranaires ont un caractère hydrophobe et le phosphate, quant à lui est hydrophile.

Attention aux liaisons : -

Glycérophospholipides : liaison ester entre les AG et le glycérol ; Sphingophospholipides : liaison amide entre AG et sphingosine (formant une céramide).

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Les lipides de la membrane comprennent :

Glycérophospholipides : Les glycérophospholipides :  Acides gras  glycérol  phosphate  groupement hydrophile (Sans le groupement hydrophile, on parle d’acide phosphatidique), qui se différencient par leur groupement hydrophile en : x Phosphatidyl-éthanolamine (; neutre) ; x Phosphatidyl-choline (; neutre, se trouve principalement sur la face externe de la membrane plasmique) ; x Phosphatidyl-sérine (; négative, est préférentiellement située sur la face interne de la membrane plasmique) ; x Phosphatidyl-inositol (; négatif et minoritaire).

Sphingolipides : Les sphingophospholipides :  Acide gras  sphingosine  phosphate  groupement hydrophile (Donc céramide  phosphate  groupement hydrophile). Par exemple la sphingomyéline (), qui est un composé d’un acide gras  sphingosine  phosphate  choline. La sphingomyéline est donc un sphingophospholipide avec comme groupement hydrophile la choline (sphingomyéline où « tête phosphatidyl-choline » estérifié avec de la sphingosine).

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Les glycolipides (en général, glycosphingolipides, oses liés par une liaison osidique à de la sphingosine, la plupart des glycolipides sont des glycosphingolipides), qui sont d’autres dérivés de la sphingosine (ce sont des sphingolipides mais pas des phospholipides, ne comprennent pas de phosphate dans leur structure) : 1 acide gras sphingosine  (liaison osidique) ose(s) (sans l’ose, c’est une céramide par exemple la8) : x Galactocérébroside (acide gras  sphingosine  galactose; neutre, donc céramide  galactose) glycosphingolipides neutre, principale constituant de la gaine de myéline ; x Ganglioside  (acide gras  sphingosine  oses), de charge négative du fait de la présence d’un ou de plusieurs résidus sur leurs oligosaccharides (donc céramide  oses 1 résidu). Le  est l’acide -acétyl-neuraminique, aussi appelé acide sialique, de charge négative. Les gangliosides sont surtout présents dans la membrane plasmique des neurones (à peu près 5 à 10% de la masse des lipides). Le ganglioside 1 est le récepteur de la toxine du vibrion du choléra sur les cellules épithéliales intestinales, ce qui provoque une diarrhée. Les glycolipides existent donc ailleurs que dans les cellules nerveuses.

Attention : Tous les lipides membranaires ne sont pas forcément des phospholipides : le cholestérol n’est pas un phospholipide et glycolipides non plus. Tous les sphingolipides ne sont pas des phospholipides car les glycolipides ne sont pas des phospholipides. En général, les glycolipides sont des glycosphingolipides. Tous les sphingolipides ne sont pas des phospholipides (car les glycolipides ne sont pas des phospholipides). Tous les phospholipides ne sont pas des glycérophospholipides. Ils peuvent être des sphingophospholipides. 2015 – 2016

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B- Le cholestérol : Le cholestérol est un lipide cyclique avec un seul groupe hydroxyle hydrophile. Il représente environ % (soit 1/4 en poids sec) des lipides de la membrane plasmique, mais le rapport moléculaire phospholipides/cholestérol est voisin de 1 (il y a autant de molécules de cholestérol que de molécules de phospholipides). Il est également réparti des 2 côtés de l’hémi-membrane. Attention : Ceci ne veut pas dire que le cholestérol participe à la moitié du poids sec des lipides membranaires puisque le cholestérol a un poids moléculaire plus faible que les autres lipides. Il ne représente qu’un quart du poids des lipides. La tête hydrophile () de la molécule de cholestérol est orientée vers l’extérieur de la bicouche lipidique (milieu extracellulaire et intracellulaire aqueux). Le cholestérol est rigide, et peut s’insérer au milieu des lipides. Plus il y a des molécules de cholestérol dans la bicouche lipidique, plus cette membrane est rigide. Dans le cas du cholestérol,  est la tête hydrophile et le reste est hydrophobe. Le groupement polaire hydrophile de tête va donc permettre l’interaction avec l’environnement aqueux. L’hémi-membrane mesure.

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C- Auto-assemblage des lipides membranaires en bicouche : Placés dans un milieu aqueux, les lipides s’auto-organisent en bicouche fermée (vésicule). Ceci est dû au caractère amphiphile des lipides membranaires (la tête hydrophile est tournée du côté extérieur et la queue hydrophobe est vers l’intérieur de la bicouche). Il y a des interactions hydrophobes (non-covalentes, liaisons faibles) entre les queues hydrophobes (2), forces de faibles intensités. Les têtes hydrophiles vers l'extérieur et queues hydrophobes vers l’intérieur puisque les milieux extracellulaire et intracellulaire sont des milieux aqueux. (Par exemple la, choline (hydrophile) vers l’extérieur et les 2 AG vers l’intérieur). La disposition des lipides en bicouche sphérique est énergétiquement favorable. Les lipides seuls forment des micelles. Mais associés aux protéines, forment des lipoprotéines. On a donc besoin de transporter des lipides et les distribuer dans la cellule.

Pourquoi la bicouche est-elle fermée ? La double couche phospholipidique est plane et exposée à l’eau, mais forme un compartiment soudé formé par une double couche phospholipidique (énergétiquement favorable). Les particules hydrophobes ne sont pas au contact de l’eau. Donc la bicouche est fermée à cause de l’amphiphilie des lipides membranaires.

La membrane plasmique est uniquement visible en microscopie électronique. EnMET, la fixation se fait à l’aide de tétroxyde d’osmium . Les deux feuillets de la membrane apparaissent sous la forme d’un feuillet médian osmiophobe clair (il s’agit de la chaîne aliphatique apolaire  chaînes grasses) entouré de  feuillets osmiophiles sombres (qui sont les têtes polaires extérieures et intérieures). Elle apparaît avec une épaisseur d’environ, .

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D- Propriétés de la bicouche lipidique : La bicouche est asymétrique : La bicouche est asymétrique. En effet, les 2 hémi-membranes (face externe et face interne) n’ont pas la même composition. On a une répartition préférentielle des divers lipides. On cite le cas de la membrane d’une hématie. Le feuillet externe porte : - De la phosphatidyl-choline, - De la sphingomyéline, - Des glycolipides (les sucres sont toujours sur la face externe). A l’inverse, le feuillet interne porte : - De la phosphatidyl-sérine  (chargée négativement), - De la phosphatidyl-éthanolamine (neutre). Les lipides sont synthétisés dans le REL, et l’asymétrie des couches est engendrée par des protéines d’échange des phospholipides (lipoprotéine IC). Par contre, le cholestérol est également réparti sur les 2 faces et rapport moléculaire phospholipides/cholestérol est voisin de1.

Le phosphatidyl-inositol (), composant minoritaire intervient dans l’ancre : - Le glycosyl- () sur la face externe (protéines intrinsèques à ancrage lipidique) - Et le -biphosphate () sur la face interne pour la transduction de signal intracellulaire par action de la phospholipase  (2 seconds messagers interviennent, l’inositol triphosphates, ou, et de diacylglycérol ou). Rôle biologique majeur.

Il existe donc une asymétrie de la bicouche lipidique composant la membrane plasmique. On ne retrouve pas les mêmes protéines, ni les mêmes lipides sur la face interne et externe de la membrane. 2015 – 2016

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La bicouche est fluide : D’autre part, cette bicouche est fluide et cette fluidité peut être étudiée grâce aux liposomes.

Il existe par ailleurs des mouvements de phospholipides dans la bicouche, qui est un fluide bidimensionnel. La diffusion latérale se fait dans le plan des feuillets et constitue un mouvement rapide. Les rotations sont elles aussi fréquentes. Mais un dernier mouvement est beaucoup plus rare, il s’agit du flip-flop. Ce mouvement consiste en une bascule de phospholipide d’un feuillet à l’autre. Ce mouvement est rare, lent et nécessite de l’énergie fournie par une protéine spécifique : les flippases. Le flip-flop explique la distribution asymétrique des lipides. On va donc avoir des fonctions discriminatives des deux feuillets, y compris sur les protéines. Attention : le flip-flop ne concerne pas les protéines, mais les lipides.

E- Facteurs influençant la fluidité de la bicouche lipidique : -

-

Lorsque la température augmente, la fluidité va elle aussi dans ce sens, mais considérée avec une composition constante. La nature des phospholipides influe elle aussi, la présence d’acides gras insaturés augmente la fluidité (l’insaturation provoque l’apparition d’un coude dans la molécule au niveau des chaînes aliphatiques, ce qui gêne leur empilement, c’est pourquoi la fluidité augmente avec le nombre d’insaturations). La quantité de cholestérol intervient elle aussi. En effet, le noyau polycyclique stérol (noyau stéroïde) est plan et rigide, ce qui diminue la fluidité de la membrane et sa perméabilité aux petites molécules hydrosolubles à température physiologique normale (mais qui l’augmente à température basse, car gêne empilement. Le cholestérol est donc fluidifiant à basse température).

On peut par ailleurs noter que généralement, les bicouches lipidiques du système endomembranaire sont plus fluides que la bicouche lipidique de la membrane plasmique.

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Chimie de la double liaisons –CC– de conformation soit : -

 : atomes d’H de même côté,  : atomes d’H de côtés opposés.

Coude dans la chaîne de configuration .

Acide gras saturés : - Acide caprique 10: 0 - Acide laurique 12: 0 - Acide myristique 14: 0 - Acide palmitique 16: 0 - Acide stéarique 18: 0 - Acidearachidique 20: 0 Acide gras monoinsaturés - Acide oléique 18: 1 (Par exemple DOPE : dioléoyl phosphatidyl-éthanolamine) Acide gras polyinsaturés : - Acide linoléique 18: 2 - Acidelinolénique 18: 3 C20:4 - Acide arachidonique 18: 4

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F- Le modèle de la mosaïque fluide : Il s’agit du modèle « classique » des membranes biologiques en général. On assimile la bicouche à un fluide bidimensionnel dans lequel les lipides et les protéines diffusent librement. La membrane est donc envisagée comme une mosaïque plane fluide de lipides (et de protéines).

G- Existence de micro domaines lipidiques : les rafts Mais il existe aussi une « régionalisation » à certains endroits de la membrane, alors que le modèle de la mosaïque prédit une distribution au hasard. Ces régions sont des micro-domaines très denses et moins fluides (phases de gel, d’assemblage plus stable) séparés par des zones lipidiques plus fluides. On nomme ces micro-domaines « radeaux » ou « rafts ». Ils ne sont pas désorganisés par les détergents (les  pour detergent insoluble glycolipid-enriched domains). Mais peuvent être désorganisés par les é    (qui lient le cholestérol). Plus costaud que les détergents classiques. Les lipides s’y regroupent « par affinité », la distribution n’est pas au hasard, et y sont enrichis en cholestérol, en sphingolipides (sphingophospholipides et en glycolipides). Ces « rafts » sont des plates-formes servant à la fixation des protéines membranaires, notamment des protéines ancrées par l’ancre  (sur la face externe, ils ont un rôle dans la communication inter-cellulaire). On y retrouve de la cavéoline. Il s’agit d’un environnement fluide.

Résumé -

Cholestérol et phospholipides sont les deux principaux lipides membranaires. Glycolipides sont des sphingolipides, comme galactocérébroside (gaine de myéline) et ganglioside (choléra). Les phospholipides comprennent les glycérophospholipides et les sphingophospholipides. Le cholestérol représente ¼ du poids des lipides, et la moitié des molécules de lipides La bicouche est asymétrique : la composition chimique n’est pas la même sur le feuillet interne et le feuillet externe.

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III- Les protéines de la membrane plasmique : A- Généralités : Les protéines membranaires sont associées à la bicouche lipidique et assurent divers fonctions : transport, catalyse, relai cytosquelette… Leur position dépend de leur possibilité d’interaction avec cette bicouche. Elle ne se fait pas de façon aléatoire. Elles sont réparties asymétriquement de part et d’autre de la membrane et sont extrêmement variées selon le type cellulaire. Les quantités et les types de protéines de la membrane plasmique sont très variables. Les sucres et les ponts disulfures, toujours sur le versant extracellulaire de la membrane, participent à cette asymétrie.

B- Les  classes de protéines membranaires : % Des protéines sont codées par le génome. La position des protéines membranaires dépend de leurs possibilités d’interaction avec la bicouche lipidique. Elles sont classées en 2 groupes selon les méthodes d’isolement (dépendantes de leur position) : - Les protéines intrinsèques à la membrane plasmique qui peuvent être tournées vers l’extérieur ou l’intérieur (intégrales ou encore insérées), sont en contact direct avec les lipides de la bicouche (par des interactions hydrophobes). Dans cette partie on va retrouver 2 sous-parties. Pour les isoler, il faut disperser la bicouche à l’aide de détergents. Les protéines intrinsèques peuvent être de  types d’ancrages hydrophobes directs dans la bicouche lipidique. -

Les protéines extrinsèques à la membrane plasmique (périphériques ou superficielles) n’ont pas de contact direct avec les lipides de la bicouche lipidique, ils interagissent avec les protéines intrinsèques de la membrane. L’extraction se fait par simple modification de la force ionique, sans avoir besoin de détruire la bicouche lipidique. On peut retrouver des protéines extrinsèques sur la face externe ou sur la face cytosolique de la membrane plasmique.

TM

Ancrage lipidique

Liaison covalente

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C- Fonctions des protéines : Les protéines ont des fonctions très variées : interaction avec l’extérieur et organiser le milieu intracellulaire. Les fonctions principales des protéines membranaires sont : - Echange sélectif de la matière : transporteurs membranaires, canaux ioniques, protéines impliquées dans l’exo et l’endocytose ; - Adhérence à la matrice extracellulaire et aux cellules adjacentes : intégrines et cadhérines ; - Connexion avec le cytosquelette : vinculine et MP ; - Réception des signaux extracellulaires : récepteur du facteur de croissance  ; - Transduction du signal par des molécules effectrices (protéine) ; - Support d’activités enzymatiques (protéines kinase) et succincte co--réductase (métabolisme mitochondri...