LA STRUCTURE DES MEMBRANES BIOLOGIQUESabiens.snv.jussieu.fr/AHA/docs/LV207/Physiologie des...

06/02/201306/02/2013

J. Teulon, transport LV207 AHA, 2013J. Teulon, transport LV207 AHA, 2013 11

Physiologie des membranes

1. Membranes cellulaires2. Principe de la diffusion simple (à travers une membrane homogène)

– Diffusion simple d’une substance non chargée– Diffusion de l’eau: osmose– Diffusion ionique (plus détaillé dans prochain cours)

3 L t i t d t t3. Les trois types de transport 4. Transports passifs

– Diffusion facilitée (par l’intermédiaire de protéines de transport)– Cas de l’eau : aquaporines– Canaux ioniques

5. Transports actifs– Exemple de la Na+ K+ ATPase.

6. Transports secondairements actifs7 A t t d t t E d t t t7. Autres types de transport : Endocytose et exocytose8. Epithéliums

– Propriétés– Modèles classiques de transport transépithélial

9. Approches expérimentales pour l’étude des transports ioniques

LA STRUCTURE DES MEMBRANES BIOLOGIQUES

06/02/201306/02/2013


EthanolamineEthanolamineInositolInositolSérineSérinecholinecholinecholinecholine

Figure 2Figure 2--1 Phospholipids.1 Phospholipids.

Downloaded from: StudentConsult (on 4 August 2006 12:53 PM)Downloaded from: StudentConsult (on 4 August 2006 12:53 PM)© 2005 Elsevier © 2005 Elsevier

Groupement Groupement phosphatidylphosphatidyl

Figure 2Figure 2--2 Structures of some common membrane lipids.2 Structures of some common membrane lipids.

Downloaded from: StudentConsult (on 4 August 2006 12:53 PM)Downloaded from: StudentConsult (on 4 August 2006 12:53 PM)© 2005 Elsevier © 2005 Elsevier

06/02/201306/02/2013


• Les membranes biologiques sont composées d’une bicouche lipidique de composition variée.

• Les phospholipides peuvent se déplacer latéralement.

Résumé de propriétés de la membrane cellulaire

• Le cholestérol rigidifie la membrane et peut se déplacer d’une couche à l’autre (flip-flop).

• Elle comporte de nombreuses protéines ayant des fonctions de transport, de signalisation, d’ancrage ou de catalyse.

• Modèle mosaïque fluide (Singer & Nicolson, Science. 1972,175:720–731).

• Elle sépare deux milieux de compositions très différentes.• Un grand nombre de protéines de transport permettent le

flux de substances variées à travers la membrane.

Na+

K+

140

5

mM

10

135

mM

Na+

K+

Milieu extracellulaire Milieu intracellulaire

K

Cl-

5

11011Cl-

• Iso-osmolarité

Charges négativesfixes (protéines)

HCO3- 15

HCO3- 24

protéines

Iso osmolarité• Électroneutralité• Les charges négatives des protéines intracellulaires équilibrent les charges positives.• grosses différences de répartition des ions dans la cellule et à l’extérieur de la cellule.

06/02/201306/02/2013


Transport de substances

• La membrane est imperméable aux particules chargées aux grossesparticules chargées, aux grosses molécules non chargées solubles dans l’eau (protéines, glucose, etc..).

• Des protéines spécialisées sont donc responsables du transport de substances à travers les membranes cellulairesà travers les membranes cellulaires.



– Diffusion simple d’une substance non chargée– Diffusion ionique (plus détaillé dans prochain cours)– Diffusion de l’eau: osmose

3. Les trois types de transport 4. Transports passifs



6 Transports secondairements actifs6. Transports secondairements actifs7. Autres types de transport : Endocytose et exocytose8. Epithéliums

– Propriétés– Modèles classiques de transport transépithélial :


06/02/201306/02/2013


Diffusion simple

•• La diffusion simple est un transport passif s’effectuant à travers la membrane plasmique sans la participation de transporteurs protéiques.transporteurs protéiques.

• Les molécules perméables diffusent en suivant le gradient électrochimique.

• La membrane plasmique est perméable aux molécules hydrophobes (les gaz en particulier : O2, CO2) et aux petites

lé l h é t ll l’molécules non chargées telles que l’eau, l’urée et le glycérol.

Démarqué de FK Démarqué de FK WinklerWinkler, Zurich, Zurich

Coefficient de diffusion

Diffusion simple : loi de Fick

Surface d’échange

J = -D*SFlux net dC

dx(Nbre particules / s)

Surface d échange

Gradient de concentration selon l’axe x

Le signe Le signe –– est là pour rappeler que le flux est en sens contraire de la variation de la est là pour rappeler que le flux est en sens contraire de la variation de la concentrationconcentration

06/02/201306/02/2013


Diffusion passive d’une particule non chargée à travers une membraneDiffusion passive d’une particule non chargée à travers une membrane

On considère une membrane homogène (bicouche lipidique)On considère une membrane homogène (bicouche lipidique)

On prend A = 1On prend A = 1LL

C2 – C1

Lj = - D* J = P*ΔC Avec P = D /LAvec P = D /L

J (moles sJ (moles s--1 cm1 cm--2) ; P (cm s2) ; P (cm s--1) ; C (moles cm1) ; C (moles cm--3)3)Flux par unité de surfaceFlux par unité de surface

Un cas particulier de la diffusion simple :• La diffusion de l’eau ou osmose

ΔΠΔΠ = RT*= RT*ΔΔCCPression osmotique :Pression osmotique :

ΔΠΔΠ = RT= RT ΔΔCCosmosm

ΔΠΔΠ = = ρρghgh

JJvv= = LpLp**ΔΠΔΠFlux osmotique :Flux osmotique :

La membrane est perméable à l’eau mais imperméable aux solutés.

Solutés plus concentrés

Le déplacement d’eau se fait du compartiment le moins concentré en solutés vers le compartiment le plus concentré.

06/02/201306/02/2013


Le déplacement d’eau n’aurait pas lieu si la membrane était perméable aux solutésLe déplacement d’eau n’aurait pas lieu si la membrane était perméable aux solutés

Concept de tonicitéConcept de tonicité : les molécules ayant un pouvoir osmotique : les molécules ayant un pouvoir osmotique sont celles qui ne sont pas perméables.sont celles qui ne sont pas perméables.

Quels sont les composés osmotiquement Quels sont les composés osmotiquement actifs ?actifs ?

Solutés plus concentrés

Lorsqu’on compare deux solutions :

–– Les ions sodium et potassium sont Les ions sodium et potassium sont des particules osmotiquement actives des particules osmotiquement actives à travers la membrane plasmique.à travers la membrane plasmique.

–– Le glucose égalementLe glucose également–– Et bien sûr les protéinesEt bien sûr les protéines–– Mais pas l’urée.Mais pas l’urée.

solutéssolutés

• La plus concentrée en solutés non perméables est hypertonique.

• La moins concentrée en solutés non perméables est hypotonique.

• Deux solutions avec la même concentration sont isotoniques.

L’osmose est une diffusion :L’osmose est une diffusion :

Les molécules d’eau suivent leur gradient de concentration.

06/02/201306/02/2013


Cours de Cours de vignyvigny

Diffusion ionique

dC dV

Les particules chargées se déplacent sous l’effet d’une différence de concentration et d’une différence de potentiel

dCdxJ = -D* + uzFC* dV

dx

Fick Composante électrique

C’est le point de départ pour la détermination des courants trans membranaires dans la théorie de Goldman-Hodgkin-Katz.

06/02/201306/02/2013


• Paramètres : conductance et gradient

Plutôt que les équations de GoldmanPlutôt que les équations de Goldman--HodgkinHodgkin--Katz, on utilise souvent une analogie avec les Katz, on utilise souvent une analogie avec les circuits électriques qui est plus facile.circuits électriques qui est plus facile.

électrochimique.• Le circuit est soumis à une différence de potentiel

et comprend une « batterie » pour chaque ion (potentiel de Nernst) qui représente l’effet de la différence de concentration.

Ex = (58/Z) Log [Xe][Xi]

Analogie avec les circuits électriques

Exrx

i

i e

V = Ex +ri soit : i = (V-Ex)/r

VV = Vi - Ve

i = g*(V E )

Gradient électrochimique

ou encore : i = g*(V-Ex)

ddpddp Pot de NernstPot de Nernst

06/02/201306/02/2013




– Diffusion simple d’une substance non chargée– Diffusion de l’eau: osmose– Diffusion ionique (plus détaillé dans prochain cours)







Transport passif / transport actif

• Transport passif : un transport de substance qui s’effectue selon le gradient électrochimique.g q

• Transport actif : un transport qui s’effectue contre le gradient électrochimique.

– Il est primairement actif s’il y a consommation d’énergie sous forme d’ATP.

– Il est secondairement actif si l’ion transporté utilise l’énergie libérée par un autre ion pendant son transfertlibérée par un autre ion pendant son transfert.

06/02/201306/02/2013


3 Na3 Na++2 K2 K++

ATPATP

PP

Types de transport Types de transport

Sodium, potassium ATPase, calcium Sodium, potassium ATPase, calcium ATPase, etc…ATPase, etc…

Transport Transport secondairement secondairement

actifactif

HH++NaNa++

Pompe Pompe

Échangeur sodium / protonÉchangeur sodium / protonCotransporteur sodiumCotransporteur sodium--glucose, etc…glucose, etc…

Diffusion Diffusion simplesimple

KK++ Transport Transport facilitéfacilité

Canaux ioniquesCanaux ioniquesTransporteur de glucose, Transporteur de glucose, Claudines de la jonction serrée, etc…Claudines de la jonction serrée, etc…

Transport à travers les phospholipides de la Transport à travers les phospholipides de la membrane membrane










06/02/201306/02/2013


Diffusion facilitée

• La diffusion facilitée est également un transport passif.Ell t l l i ifi ti ê• Elle est la seule significative même pour certaines molécules capables de franchir les bicouches lipidiques (eau, urée…)

• Elle est médiée par des protéines de transport appelées uniports, porines ou canaux. O t t i diti li l• On peut, sous certaines conditions, appliquer les équations précédentes (loi de Fick, Goldman-Hodgkin-Katz).

A suivre, quelques exemples disparates puis on insistera sur les A suivre, quelques exemples disparates puis on insistera sur les canaux ioniquescanaux ioniques

Cours de Cours de vignyvigny

06/02/201306/02/2013


PorinePorine

Un exemple «Un exemple « exotiqueexotique »»

Figure 3-4 Structure of the PhoE porin of Escherichia coli. A, Top view of a porin trimer that shows the backbones of the polypeptide chains. Each of the three identical monomers, which are shown

in different colors, contains 330 amino acids. cross sectin (internal diameter, 0.7 nm). (Reproduced from Jap BK, Walian PJ: Structure and functional mechanisms of porins. Physiol

Rev 76:1073-1088, 1996.)© 2005 Elsevier

Aquaporines

Nielsen et al, Physiol Rev, Jan 2002; 82: 205 Nielsen et al, Physiol Rev, Jan 2002; 82: 205 -- 244.244.

Asparagine (N), proline (P), alanine (A)Asparagine (N), proline (P), alanine (A)

06/02/201306/02/2013


AquaporinesAquaporines

Pores pour l’eauPores pour l’eau

Downloaded from: StudentConsult (on 2 August 2006 09:28 AM)© 2005 Elsevier

La perméabilité de l’eau à travers une bicouche lipidique est de l’ordre de 5 10-3 cm/s. Dans le tube proximal du rein de mammifère, elle est de l’ordre de 0,15 cm/s ; Débit = 3 109 molécules /seconde.

Uniports

• Transporteurs du glucose (glut1, etc…)• Transporteurs de l’urée (UT, etc…)• Transporteurs du phosphate

06/02/201306/02/2013


Canaux ioniques

• A structure de pore • A sélectivité ionique• Régulables

Protéines membranaires:

Support d’un transport ionique passif

Régulables

Pore (conductance)

Filtre de sélectivité

Porte (« gate »)Contrôle / Modulationde l ’activité

Courant porté par un canal ioniqueCourant porté par un canal ionique

iiouvertouvert

Courant moyen :Courant moyen :

iitt11 tt22 tt33 tt55tt44 tt66

Probabilité d’ouverture : PProbabilité d’ouverture : Po o ==ΣΣ ttiiTT

ferméfermé

Courant moyen :Courant moyen :

< < II >>tempstemps = = NPNPoo..iiN = nombre de canauxN = nombre de canaux

< < II >>temps temps = courant = courant macroscopique macroscopique

moyen dû à ce type moyen dû à ce type de canalde canal

06/02/201306/02/2013


Diversité des canaux ioniques :Exemple des canaux K+

P1 P2PPCapteur de voltage

Trois familles

6 segments transmembranaires 2 segments transmembranaires 2 domaines P

NH3+

CO2-NH3

+ CO2-

NH3+

CO2-

Quatre (familles 1 et 2) ou deux (famille 3) sous-unités conductrices s’assemblent pour former un canal K+ : elles peuvent être identiques ou différentes

(à rectification entrante)(à rectification entrante)

s’assemblent pour former un canal K+ : elles peuvent être identiques ou différentes

Il y peut y avoir également des sous-unités de régulation (qui ne participent pas à la formation du pore mais sont impliqués soit dans l’adressage à la membrane soit dans la régulation de l’activité).

Canal maxi KCanal maxi K++ ((sloslo 1)1)

SalkoffSalkoff et al, Nat et al, Nat RevRev NeurosciNeurosci, 2006, 7:921, 2006, 7:921--931931

06/02/201306/02/2013


Figure 7-11 Structure of the Streptomyces K+ channel (KcsA). A, KcsA is a homotetramer. Each monomer is represented in a different color and contains only two membrane-spanning elements, which is analogous to the

S5-P-S6 portion of Shaker-type K+ channels. B, This view more clearly shows the P region, which is very similar to the P region of the Shaker K+ channel. The P region appears to form the selectivity filter of the channel. C, This

is a cut-away view of the pore that shows three K+ ions. The top two K+ ions are bound in a tight cage that is formed by the peptide backbones of the P regions of each of the four channel subunits. (Data from Doyle DA,

Morais Cabral J, Pfuetzner RA, et al: The structure of the potassium channel: Molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science 280:69-77, 1998.)Downloaded from: StudentConsult (on 3 August 2006 03:31 PM)

© 2005 Elsevier

Figure 7-11 Structure of the Streptomyces K+ channel (KcsA). A, KcsA is a homotetramer. Each monomer is represented in a different color and contains only two membrane-spanning elements, which is analogous to the S5-P-S6 portion of Shaker-type K+ channels. B, This view more clearly shows the P region, which is very

similar to the P region of the Shaker K+ channel. The P region appears to form the selectivity filter of the channel. C, This is a cut-away view of the pore that shows three K+ ions. The top two K+ ions are bound in a tight cage that is formed by the peptide backbones of the P regions of each of the four channel subunits. (Data from Doyle

DA, Morais Cabral J, Pfuetzner RA, et al: The structure of the potassium channel: Molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science 280:69-77, 1998.)

Downloaded from: StudentConsult (on 3 August 2006 03:31 PM)© 2005 Elsevier

06/02/201306/02/2013


Canal Canal jonctionneljonctionnel ((connexinesconnexines))

Figure 6-18 Gap-junction channels. In C, left panel shows the preparation of the two cells, each of which is voltage clamped by means of a patch pipette in the whole-cell configuration (see Fig. 6-14). Because Cell 1 is clamped to -40 mV and Cell 2 is

clamped to -80 mV, current flows through the gap junctions from Cell 1 to Cell 2. The right panel shows that the current recorded by the electrode in Cell 1 is the mirror image of the current recorded in Cell 2. The fluctuating current transitions

represent the openings and closings of individual gap-junction channels. (Data from Veenstra RD, DeHaan RL: Measurement of single channel currents from cardiac gap junctions. Science 233:972-974, 1986.)


Régulation des canaux ioniques

• Par synthèse de nouvelles protéines (N)• Par recrutement à la membrane d’unités

de transport pré-existantes (N)• Par contrôle (gating) ou modulation de

l’activité du canal (Po)

06/02/201306/02/2013


Diversité de régulation des canaux ioniques

AA-- Facteur physiqueFacteur physique BB-- Facteurs intracellulairesFacteurs intracellulaires

Ca2+

H+

Potentiel électriqueou

Tension membranaire

PKA

CC-- Phosphorylation/ déphosphorylationPhosphorylation/ déphosphorylation DD-- Protéine GProtéine G

EE-- CanalCanal--récepteurrécepteur

Pphosphatase

P

Canal voltage-dépendant24

86

Capteur de voltage

+++

Sans inactivation

Avec inactivation t col

l., E

MBO

J. 1

992,

11:

2473

-2+++

Capteur de voltage

++ vec c v o

Réponses à des sauts de potentiels d ’environ-60 mV à 80 mV ;les séries de stimulations sont superposées Ill

ustr

atio

ns d

e Re

ttig

et

Boule et chaîne

++++

06/02/201306/02/2013


Canal à ligand : récepteur nicotiniqueCanal à ligand : récepteur nicotinique

Figure 8-7 Structure of the nicotinic acetylcholine (ACh) receptor. The nicotinic ACh receptor is a heteropentamer with the subunit composition of α2βγδ. These subunits are homologous to one another, and each has four membrane-spanning segments (M1-M4).











06/02/201306/02/2013


Na,K-ATPase

α

β~ 110 kDa

~ 42 kDa

γ

α : activité catalytiquetransportpharmacologie

β : adressagestabilisationmodulation affinité

ExérieurExérieur

α~ 6,5 kDa

γ : modulation affinité

IntérieurIntérieur

Na+

K+

OuabaïneE1

ADPP

Na+

P

P

Na+

Forte affinité pour Na et ATPFaible affinité pour KSites cationiques intracellulaires

E2Faible affinité pour NaForte affinité pour KSites cationiques extracellulaire

E E

E2

ATPP

Na

K+

E1 → E2Phosphorylation(induite par fixation du Na)

E2 → E1Déphosphorylation(induite par fixation du K)

E1

Diapo d’Alain DoucetDiapo d’Alain Doucet

06/02/201306/02/2013


Autres exemples de pompes

• Pompes Ca2+

• Pompes H+

• Pompes H+ / K+

• Certains types de pompes Ca2+ et H+ sont situées sur les membranes des organitessituées sur les membranes des organites intracellulaires.

Downloaded from: StudentConsult (on 27 March 2008 02:03 PM)© 2005 Elsevier

06/02/201306/02/2013











AccèsAccès alternatifalternatif ((modèlemodèle flipflip--flop) pour un coflop) pour un co--transporteurtransporteur

2.2. occlusionocclusion

1.1. AccèsAccès sursur un un seulseulcôtécôté de la de la membrane à lamembrane à la foisfois 2.2. occlusionocclusionmembrane à la membrane à la foisfois

3.3. Retour à Retour à l’étatl’état de de départdépart

WeyandWeyand S., Science, 2008; S., Science, 2008; Synchrotron Radiat. 2011; Boudker O., Trends Pharmacol Sci., 2010 Synchrotron Radiat. 2011; Boudker O., Trends Pharmacol Sci., 2010

3.3. LibérationLibérationdes ionsdes ions

06/02/201306/02/2013


Une infinité de transports couplésUne infinité de transports couplés











06/02/201306/02/2013


ExocytoseExocytose


endocytoseendocytose


06/02/201306/02/2013











Jonction serréeJonction serréeJonction adhérente complexe Jonction adhérente complexe jonctionneljonctionneldesmosomedesmosome

06/02/201306/02/2013


Voies de passage à travers l’épithélium

Voie transcellulaire

lumière

Voie transcellulaire

Voie paracellulaire

1 2

Système ouvert : Transport net de solutés chargés d’un côté à l’autre de l’épithélium (état stationnaire mais pas équilibre).

interstitiumlumière

La Na+, K+ ATPase est le moteur de l’absorption ionique dans la plupart des épithéliums

Na+

K+

K+

Na+

interstitiumlumière

Il y a 500 à 1000 fois plus de pompe sodium dans les épithéliums par rapport aux autres cellules

06/02/201306/02/2013


voie paracellulaire

• On distingue épithéliums lâches (vésicule biliaire) ou serrés (vessie).) ( )

• La sélectivité ionique des voies paracellulaires est variable

• Les épithéliums serrés ont un transport paracellulaire faible.

• Le transport à travers la voie paracellulaire est passif (selon le gradient électrochimique)

Les Les claudinesclaudines forment la voie de forment la voie de passage passage paracellulaireparacellulaire des ionsdes ions

06/02/201306/02/2013


Transport à travers les épithéliumsLes épithéliums effectuent un transport net de solutésLes épithéliums effectuent un transport net de solutés

Propriétés notables :Propriétés notables :

•• Deux voies de transport Deux voies de transport transépithélialestransépithéliales sont possiblessont possibles•• La voie La voie transcellulairetranscellulaire comporte deux étapescomporte deux étapes•• C’est la répartition asymétrique des transporteurs sur les deux C’est la répartition asymétrique des transporteurs sur les deux

membranes qui est à l’origine d’un transport net orienté vers la membranes qui est à l’origine d’un transport net orienté vers la sécrétion ou vers l’absorption.sécrétion ou vers l’absorption.

•• On distingue épithéliums serrés et lâches en fonction de la On distingue épithéliums serrés et lâches en fonction de la perméabilité des jonctions serréesperméabilité des jonctions serréesL’ it i t l t t d l té (àL’ it i t l t t d l té (à•• L’eau suit passivement le transport des solutés (à L’eau suit passivement le transport des solutés (à condition qu’une perméabilité à l’eau soit présente et sauf cas condition qu’une perméabilité à l’eau soit présente et sauf cas particuliers).particuliers).

Premier exemple : absorption de glucose


IntestinIntestinTube proximal du reinTube proximal du rein

06/02/201306/02/2013


second exemple : absorption de NaCl


Peau de grenouillePeau de grenouilleVessie de crapaudVessie de crapaudCanal collecteur dans le reinCanal collecteur dans le rein

3ième exemple : sécrétion de NaCl


Acinus des glandes salivairesAcinus des glandes salivairesAcinus pancréatiqueAcinus pancréatiqueGlande à selGlande à sel

06/02/201306/02/2013


Dernier exemple : sécrétion d’acide chlorhydrique dans l’estomacDernier exemple : sécrétion d’acide chlorhydrique dans l’estomac

Cellule Cellule pariétalepariétale

Downloaded from: StudentConsult (on 17 December 2008 12:53 PM)Downloaded from: StudentConsult (on 17 December 2008 12:53 PM)© 2005 Elsevier © 2005 Elsevier

LA STRUCTURE DES MEMBRANES BIOLOGIQUESabiens.snv.jussieu.fr/AHA/docs/LV207/Physiologie des...

Documents

Transcript of LA STRUCTURE DES MEMBRANES BIOLOGIQUESabiens.snv.jussieu.fr/AHA/docs/LV207/Physiologie des...