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Le revêtement cellulaire I.

Les membranes biologiques

2 types cellulaires : procaryotes et eucaryotes → possèdent tous une membrane plasmique → sépare 2 milieux qui sont tous les 2 très riches en eau : le dehors et le dedans frontière physique chez procaryote 1 seul compartiment : le cytoplasme est protégé par la membrane plasmique chez eucaryote : possède aussi des membranes internes = cytomembranes Elles sont construites sur le même principe que la membrane plasmique : barrière sélective et forme des compartiments clos pour permettre d'isoler les organites car à l’intérieur il y a des enzymes et ainsi elles n'interféreront pas avec les autres enzymes pour chambouler les autres réactions biochimiques. Les cytomembranes sont en relations indirecte avec la membrane plasmique. Il y a des flux membranaires continuels par l'intermédiaire de mécanismes de bourgeonnement et de fusion = relations entre les différentes cytomembranes et la membrane plasmique. Ces relations vont permettre de maintenir l'intégrité cellulaire. Toutes ces membranes sont indispensables à la vie cellulaire car permettent de maintenir des différences de concentrations indispensables. Même pour les procaryotes avec leur unique membrane car il y a aussi des différences de concentration avec le milieu extérieur. Certaines fonctions de la membrane plasmique : → structure extrêmement dynamique • dispositif de transport : permet de réguler le transport de molécules, entrantes et sortantes, par un système de transport de molécule à travers la membrane. → filtre hautement sélectif permettant de contrôler l'entrée des substances nutritives mais aussi la sortie de déchets, ou des produits de sécrétion. C'est grâce à ce mécanisme que la cellule maintient les différences de concentration ionique. • système de capteur : pour capter les signaux extérieurs afin de relayer l'information à l’intérieur de la cellule grâce notamment à des molécules trans-membranaires = récepteur. Cela permet à la cellule de répondre aux changements de son environnement. • impliqué dans le phénomène de mouvement ou de déplacement cellulaire : permettre à la cellule de changer de forme ou de se déplacer grâce aux protéines membranaires qui sont reliées à des éléments sous la membrane = éléments du cytosquelette. • Communication directe entre les cellules et mécanisme d'adhésion et de jonction cellulaire pour notamment les organismes pluricellulaires. Les cellules reposent sur la matrice extra-cellulaire : c'est une substance fondamentale amorphe où baignent des cellules isolées, qui permet de garder la cohésion tissulaire et cellulaire.

Architecture de base des membranes cellulaires toutes les membranes possèdent une structure générale commune ! L'architecture de base est constituée d'un film lipidique qui est associé à des protéines membranaires, et le tout est contenu par des interactions dites non

covalentes = qui ne fait pas intervenir d'atomes directs. Ce film est constitué de 2 couches ou 2 feuillets lipidiques étroitement apposés qui forment la bicouche lipidique. Elle constitue la base universelle de la structure membranaire et sert de barrière perméable. Épaisseur : environ 7 nm → l'épaisseur varie en fonction du type cellulaire mais surtout du type de membrane, c'est-à-dire qu'elle varie entre les différentes cytomembranes. → visible au MET uniquement ! C'est ainsi que l'on peut mesurer l'épaisseur de la bicouche et que l'on peut observer l'aspect trilamellaire. lipide = a une tête hydrophile et une extrémité hydrophobe. Cette tête se met de part et d'autre de la bicouche lipidique, à l’extérieur, toujours en contact de la solution aqueuse. Elles réagissent avec le tétra-oxyde d'osmium d'où cet aspect dense, et ces contrastes différents. Il contraste tout particulièrement les lipides. extrémité : ne réagissent pas avec le tétra-oxyde d'osmium d'où un feuillet central qui restera clair en MET → on dit que ces membranes ont un aspect trilaméllaire têtes : forment un feuillet osmiophile = très dense aux électrons. ( du fait qu'elles réagissent au tétra-oxyde d'osmium ) extrémités : sont osmiophobes premier feuillet : fait environ 2 nm tête : 3nm l'autre coté : environ 2nm il y a 3 types de protéines membranaires : – transmembranaires : elles traversent complètement la bicouche lipidique et représentent 2/3 des protéines = la grosse majorité = environ 60%. Elles sont la plupart du temps glycosylées. – périphériques : 1/3 ( non visibles sur schéma ) Elles sont quand même intégrées à la membrane. Elles sont situées soit sur un versant extra-cellulaire là, elles sont plus souvent glycosylées, ou sur un versant intracellulaire, donc jamais glycosylées → interagissent de manière non covalente avec la membrane plasmique – à ancre lipidique : sont ancrées dans la bicouche lipidique par un ou plusieurs lipides. Elles assurent la majeur partie des fonctions de la membrane. → minorité de protéines mais très importantes sucres : Ils sont liés à des protéines ou à des lipides. Ils forment un feutrage filamentaire de nature glucidique à la surface externe de le membrane plasmique ( et uniquement ) = le cell coat = glycocalyx

Étude de la membrane plasmique de l'hématie Les hématies : L'hématie est une cellule eucaryote qui s'est hyper spécialisée lors de la différenciation cellulaire ce qui a permit à sa cellule de perdre son noyau et ses organites. Elle n'a donc plus de cytomembranes, mais juste une membrane plasmique. C'est un sac bourré d'hémoglobines. L’érythrocyte, son précurseur, est produit par la moelle osseuse. L'un de ses constituants est le fer qui est lourd donc ce qui va arrêter les électrons. ( terme osmiophile réservé aux membranes ) diamètre de référence : ≈ 7μm

→ en condition physiologique : elles sont dites en équilibre osmiotique, donc la concentration en NaCl à l'extérieur ou à l'extérieur est la même. En labo, le sérum physiologique c'est : 9g de NaCl dans 1000g d'eau et pH environ égal à 7,4 . On va jouer sur la pression osmiotique pour modifier les cellules : principe de l'osmose : 2 solutions : hypotonique ( + diluée ) et hypertonique ( la plus concentrée ) séparées par une membrane perméable. Il y aura alors un flux d'eau, qui va du milieu le moins concentré au milieu le plus concentré. On aura donc un mouvement de l'eau vers le milieu hypertonique, et ce mouvement de l'eau est appelé osmose. Avec les hématies : utilise principe d'osmose Les hématies sont mises dans une solution hypotonique. On aura alors une entrée d'eau massive dans les hématies car elles sont hypertoniques : elles vont gonfler, former des pores et vont alors complètement se vider de l'hémoglobine = hémolyse . ( elles n'éclatent pas vraiment, elles se trouent simplement ). On obtient alors des sacs vides = des ghost = fantômes d'hématies = juste la membrane plasmique. La membrane va se ressouder ensuite rapidement, car c'est énergétiquement défavorable. Cela permet de récupérer un très grand nombre de membranes plasmiques pures non contaminées par les cytomembranes par centrifugation. Cette technique a permis de déterminer la composition biochimique de la membrane : • 52% de protéines de la masse de membrane plasmique de l'hématie • 40% de lipides • 8% de sucres → pas en quantité mais en pourcentage massique !!!!!!!!! Cette technique n'est applicable qu'à la membrane de l'hématie, car sinon, cela varie suivant le type cellulaire, et entre membrane cellulaire ou cytomembrane.

Les lipides membranaires La bicouche lipidique est la base universelle de structure des membranes cellulaires. Toutes les membranes cellulaires sont constituées de 3 composants lipidiques majeurs : ( la composition varie en fonction du type cellulaire et de la localisation ) • phospholipides = moitié des constituants lipidiques 55% • cholestérol ¼ 25% • glycolipides : petit ¼ 20% → combinent 2 propriétés en une seule molécule : tous ces lipides ont aussi une base universelle : – tête hydrophile ou polaire – queue hydrocarbonée hydrophobe ou apolaire = molécules amphiphiles ( = polarisées ) car sont composées d'une partie hydrophile et hydrophobe. Phospholipides et glycolipides sont tous 2 formés à partir d'acides gras.

phospholipides : les acides gras ont une chaîne hydrocarbonée hydrophobe + ou – longue et une formule commune : CH3-(CH2)n-COOH avec n = nb de carbones Il existe de nombreux acides gras. 2 types de chaînes d'AG possible : une à double liaison qui créé plicature = acides gras insaturé. Elles jouent sur la fluidité : l'AG prendra moins de place, et donc il sera plus facile à bouger. acides gras : saturé : dérivent des graisses animales et sont solides à température ambiante insaturé : liquides à température ambiante et dérivent des graissent végétales Plus il y a d'AG saturés, plus la membrane est rigide, et inversement. A partir de ces acides gras, on peut former des triglycérides : ils constituent une forme de stockage des réserves lipidiques. Ils sont formés par 3 AG, et un glycérol ( estérifié avec ces AG ). → rentrent dans la composition des gouttelettes lipidiques Les acides gras forment surtout des phospholipides qui sont les constituants fondamentaux les plus abondants de la membrane plasmique → molécules avec 2 chaînes d'acides gras : un saturé et un autre insaturé → extrémité hydrophobe de la molécule acides gras groupés par un glycérol lui même relié à un phosphate lié à un groupement de tête polaire qui va différer avec différents phospholipides. se divisent en 2 grands groupes : les phosphoglycérides et sphingolipides • phosphoglycérides : ils dérivent du glycérol Ils se différencient par leur tête : groupement de tête : le choline = phosphatidyl-choline est le plus répandu en général : les 3 premiers sont majoritaires l'inositol : minoritaire mais crucial dans la transmission du signal • sphingolipides : c'est une sphingomyéline : est battit sur un céramide = une chaîne d'acide gras, une sphingosine et a une tête polaire choline. L'AG est plutôt saturé. C'est la sphingosine qui possède une double liaison. On les retrouve dans les gaines de myélines. → constituant de base choléstérol : ( un stérol ) Est présent dans toutes les membranes cellulaires animales sauf la membrane interne de la mitochondrie, mais plutôt absent des

membranes des cellules végétales, chez les autres eucaryotes → mais possèdent quand même d'autres stérols → absent des végétaux et aussi des levures et procaryotes → donc bactéries en ont pas C'est une molécule amphiphile : toute petite partie de la tête hydrophile due à fonction OH → pas d'acide gras. Il possède une chaîne hydrocarbonée. Il est plus court et plus compact que les phospholipides. Il s'intercale entre les phospholipides dans les espaces entres phospholipides voisins, dans les espaces générés par les insaturations. Il rigidifie de cette façon la bicouche en la rendant moins fluide et moins perméable → réparti équitablement entre les deux feuillets. Il est abondant dans les membranes plasmiques alors que moins abondant dans les cytomembranes ce qui permet de considérer le cholestérol comme un très bon marqueur spécifique de la membrane plasmique → on peut le marquer en microscopie confocale les glycolipides : Ils ressemblent à la sphingomyéline : ils sont construits aussi sur un céramide, sont amphiphiles, 2 chaînes hydrocarbonées La tête hydrophile peut avoir soit un sucre, soit plusieurs sucres branchés directement, sans phosphates. Ils sont particulièrement abondants dans les membranes des neurones. Il en existe beaucoup de différents : • glycolipides simples = 1 céramide et 1 sucre Le nom se termine toujours par « cérébroside » avec devant le sucre qu'il porte. ici on trouve le galactocérébroside trouvé dans les gaines de myéline qui protègent les fibres nerveuses et permettent une bonne conduction du message. Mais il peut y avoir des anomalies : sa concentration est finement régulée, mais elle peut être perturbée. => trouble du galactocérébroside : entraîne une leucodystrophie = maladie de Krabbe → galactocérébroside s'accumule dans lysosome due au déficit d'une enzyme la galactocérébrosidase habituellement trouvée dans le lysosome. Cela provoque la destruction des cellules qui produisent la myéline du fait de cette surcharge dans les lysosomes → très grave : perte progressive de l'ouïe, de la vue …. → meilleur traitement : greffe de moelle osseuse • glycolipides complexes : 1 céramide et plusieurs sucres ( qui seront différents ) et un acide sialique qui termine la suite de sucre qui confère une charge négative ex : ganglioside DM1 Le ganglioside DM1 est très présent dans les cellules nerveuses, mais est aussi la cible de certaines toxines : celle du choléra, libérée par une bactérie, qui provoque des diarrhées brutales et abondantes parfois fatales. C'est aussi le récepteur du virus SV40 à ADN, découvert chez les singes qui est non pathogène pour le singe. lipides membranaires : On peut observer le réarrangement des lipides dans une solution aqueuse. Les acides gras amphiphiles sont insolubles dans l'eau

→ d'où la position des lipides : les têtes vont s'accrocher à l'eau alors que la queue va fuir l'eau, et elles vont venir s'agréger les unes à côté des autres → film lipidique  = monocouche de lipide Si on mélange, on aura une structuration en fonction de la forme des lipides. AG saturés : prennent une forme conique → forme une structure micellaire → comme les savons = bulle AG insaturés : forme un cylindre = forme une double couche de lipides, d'où cette double couche que l'on peut observer dans les membranes. Les forces antagonistes obligent la double couche à se refermer sur elle-même, car sinon, le bord libre serait énergétiquement défavorable, due à l'hydrophobicité. artificiel : on met des phospholipides pures : on agite, cela forme des liposomes → c'est une membrane artificielle : il n'y a alors aucunes protéines → donc ne copie pas la composition des membranes cellulaires → permet études de la fluidité de la bicouche lipides : grande mobilité des membranes Ils sont très mobiles dans le plan de la bicouche lipidique. capables de faire 3 types de mouvements : • + fréquent et plus rapides : ceux qui sont fait dans le plan de la bicouche : lipide tournent sur eux même autour de leur axe ➢ capable de faire des mouvements de flexion : chaînes hydrocarbonées qui auront tendance à osciller ➢ mouvement de rotation ( on met ensemble flexion et rotation ) → très rapide et très fréquent : de l'ordre de la picoseconde !! ➢ mouvements latéraux = diffusion latérale lipides échangent de place avec les autres en permanence = rapide => mouvements de l'ordre de la ms • mouvement de bascule = flip-flop → basculent d'une face à l'autre → très rare car les têtes polaires doivent traverser le cœur hydrophobe donc c'est énergétiquement défavorable → intervient pratiquement une fois par mois. Dans le mécanisme physiologique : rare aussi mais favorisé = catalysé par des protéines, les flipases apoptose = mort programmée d'une cellule Dans ce mécanisme, ils se mettent sur la partie extérieure pour que la cellule soit reconnue et détériorée. Cela forme une étiquette particulière de ces cellules. Autre moment de flip-flop : lors de la biosynthèse des membranes. Les phospholipides sont synthétisés dans la membrane interne du RE, mais pour en sortir, ils doivent bien réaliser des flip flop. fluidité membranaire : → dépend de la nature des chaînes hydrocarbonées et de : la longueur et des in-saturations. Dépend aussi de la température. Dans les cellules animales : modulé par la présence de cholestérol → + de cholestérol = + rigide le feuillet externe ou interne n'a pas la même fluidité interne : + fluide due à la présence de charges négatives phosphatidylsérines qui augmentent le potentiel de surface ( très important dans signalisation )

Asymétrie de la bicouche : majoritairement sur le feuillet externe : phospholipides à tête choline et sphingomyéline + minoritaire sur face interne où il y a surtout le phosphatidyléthanolamine + sérine et inositol. L'inositol peut être mono, bi ou triphosphate. L'ensemble de ces formes forment les phosphoinositides. → important pour la signature membranaire, d'autant plus marquée par les sucres externe : présence de sucres liés aux lipides ( présents uniquement sur cette face ) qui forment une partie du cell coat Le cholestérol est réparti de façon homogène entre les 2 feuillets même s'il existe des territoires particuliers qui sont enrichis en sphingomyéline et cholestérol. Donc il ne participe pas à cette asymétrie. Les territoires enrichis des deux côtés en cholestérol et en sphingomyéline sont appelés des lipid raft = radeau lipidique qui est une couche plus épaisse car la présence de la sphingomyéline l'épaissis du fait de son AG saturé, et donc plus long. Sur la micouche interne on retrouve aussi en priorité des AG saturés, ce qui rajoute de l'épaisseur. + c'est saturé, + la membrane est épaisse Ces lipides raft ont la particularité d'être moins fluides, du fait du cholestérol est de la saturation. Ils sont enrichis en protéines de signalisation.

Ces micro domaines sont responsables de l'interaction forte entre lipides d'où : lipid raft = patch insolubles avec détergent = DRM detergent resistant membranes. Cette propriété les différencie du reste de la membrane car on peut les isoler expérimentalement pour pouvoir les analyser. ( différence entre membrane et cytomembranes : les cytomembranes sont plus fines car plus fluides, moins de cholestérol et plus de lipides insaturés )

Les protéines membranaires Les fonctions : La majorité des fonctions sont portées par des protéines – transport des nutriments : grosse majorité – protéines de liaison : liées de part et d'autre de la membrane, accrochent d'autres macromolécules → rôle de liaison – récepteur qui détectent des signaux chimiques de l'environnement et qui peuvent les transmettre vers l’intérieur de la cellule – enzymes pour catalyser des réactions biochimiques qui sont très spécifiques Les protéines sont structurées par un enchaînement d'acides aminés ajoutés de façon linéaire, liés entre eux par des liaisons covalentes = liaisons peptidiques → tous les a.a possèdent ce squelette polypeptidique commun La liaison se fait toujours par un groupement carboxyle extrémité C-term relié à un groupement amine à son extrémité N-term = les liaisons sont toujours orientées. → = polarité structurelle Chaque a.a possède une chaîne latérale qui lui est propre, ce qui permet que les a.a soient distincts les uns des autres. Il existe une 20aine d'a.a différents qui rentrent dans la composition des protéines. Certains a.a sont polaires donc hydrophiles → chaîne latérale dans un environnement aqueux → donc plutôt de part et d'autre de la membrane. → parmi les hydrophiles : certains sont non chargés = confère une propriété encore plus hydrophile, d'autres chargés, certaines chaînes latérales positives = sont basiques, ou négativement d'autres sont hydrophobes = non polaires → ont tendance à regrouper leur chaîne latérale R à l’intérieur du groupement protéique ou à l’intérieur de la membrane → ajouté de façon linéaire dans un ordre très précis = séquence d'acide aminé = structure primaire de la protéine. Cet enchaînement possède une organisation spatiale qui lui est propre due à des repliements → jusqu'à 4 niveaux de structuration des protéines → toutes les protéines en ont au moins 3 soit structure secondaire : repliement local de la chaîne polypeptidique pour former 2 motifs structuraux différents → les hélices alpha → les plus répandues au niveau membranaire ou des feuillets bêta. Si ces structures sont bien définies, elles doivent être stabilisées par les liaisons H, contrairement au 3ème niveau : autre mode de repliement : structure non définie → se fait au hasard → 2 premières formes : liaisons hydrogènes vont s'accrocher structure secondaire peut encore se replier = structure tertiaire = obligatoire → repliement dans l'espace → permet à une protéine néo-synthétisée d'être fonctionnelle donc cette structuration est vraiment pour la fonction de la protéine → repliement : pont disulfure ( entre 2 cystéines qui peuvent être assez éloignées l'une de l'autr...