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Les membranes et la compartimentation cellulaire Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines Dynamique des molécules des membranes Fonctions des membranes Biosynthèse des protéines membranaires et sécrétion des protéines solubles

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Les membranes et la compartimentation cellulaire

Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines

Dynamique des molécules des membranes Fonctions des membranes Biosynthèse des protéines membranaires et

sécrétion des protéines solubles

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Les molécules amphiphiles

hydrophobe hydrophile

s’associent spontanément

en micelles ou en bicouches

suivant le volume relatif de leurs domaines hydrophile et hydrophobe

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Rôles des lipides

Rôle structural : les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines

Rôle énergétique : stockage et échanges Rôle de signalisation : à la surface des membranes

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Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines

70% des protéines sont associées aux membranesLes protéines membranaires constituent 20% de la masse protéique des cellulesLes protéines membranaires constituent 50% de la masse protéique des membranes

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Les acides gras

acideChaîne aliphatique

palmitate

oleate

Les acides gras naturels possèdent un nombre pair de carbones: C14->C24

Certaines liaisons sont insaturées et créent un coude dans la structure

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Les phospholipidesexemple des phosphoglycérides

GLYCEROL

ACIDE GRAS

ACIDE GRAS

PHOSPHATEALCOOL

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… sont constitués d’un glycérol,

glycérol

HC OH

H2C

CH2

OH

HO

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… de deux acides gras,

glycérol acides gras

HC O

H2C

CH2

O CH3

CH3

(CH2)14

CH

(CH2)7(CH2)7 CH

C

O

C

O

HO

palmitate

oleate

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… d’un phosphate

glycérol acides grasphosphate

HC O

H2C

CH2

O

O-

CH3

CH3

(CH2)14

CH

(CH2)7(CH2)7 CHO

HO P

C

O

C

O

O

palmitate

oleate

Page 10: Les membranes et la compartimentation cellulaire Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines Dynamique des molécules des membranes.

…et d’un alcool

glycérol acides grasphosphatealcool

HC O

H2C

CH2

O

O-

CH2CH2H3C

CH3

CH3

(CH2)14

CH

(CH2)7(CH2)7 CHO

O PN+

C

O

H3C

H3C

C

O

O

palmitate

oleate

la phosphatidylcholine

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La diversité des phospholipides résulte de l’association de

têtes polaires différentes...

choline

CH2CH2H3C OHN+

H3C

H3C

ethanolamine

CH2CH2 OHH3N+

serine

CH

CH2 OH-OOC

NH3+

glycerol

CH2CH

OHOH CH2

OHOH

OH

OH

OHOH

HO

H

HHH

H

H

inositol

PhosphatidylethanolaminePhosphatidylserinePhosphatidylcholinePhosphatidylinositolSphingomyélineGlycolipidesCholesterolAutres

Réticulum endoplasmique

Membrane plasmique

Mitochondrie

74

24< 1197

1722

352

390003

21

175

400506

30

proportion en %

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… avec des acides gras différents

LaurateMyristatePalmitateStéarateArachidateBehenateLignocerate

PalmitoleateOleateLinoleateLinolenateArachidonate

Nombre de doubles liaisons

0000000

11234

Nombre de carbones

12141618202224

1618181820

des centaines de phospholipides différents

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La distribution des lipides est asymétrique exemple de la membrane plasmique

PhosphatidylserinePhosphatidylethanolaminePhosphatidylcholineGlycolipides

extérieur intérieur

01090

100

10090100

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La membrane plasmique

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Les membranes des cellules eucaryotes contiennent du cholestérol

cholestérol

HO

CH3

CH3

CH

CH3

CH2

CH2

CH2

CH

CH3 CH3

cellules animales

ergostérol

cellules végétales

HO

CH3

CH3

CH

CH3

CH

CH

CH

CH

CH3 CH3

CH3

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Le cholestérol est indispensable

Le cholestérol est le précurseur des hormones stéroïdiennes

Synthèse dans le foie ou apport nutritif et transport dans le sang

Low-Density Lipoprotein

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Interaction des protéines avec les membranes

Protéines membranaires intrinsèques

Protéines membranaires périphériques

Solubilisables après destruction de la membrane par des détergents

Solubilisables par des moyens physico-chimiques doux (pH, concentration de sel)

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Principe d’action des détergents

détergent ionique

détergent non-ionique

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Le domaine transmembranaire des protéines est souvent constitué d’hélices hydrophobes

21 acides aminés hydrophobes

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Identification des hélices transmembranairesEchelle de polaritéAcide aminé Energie de transfert

(kcal/mole)Phe F + 3,7Met M + 3,4Ile I + 3,1Leu L + 2,8Val V + 2,6Cys C + 2,0Trp W + 1,9Ala A + 1,6Thr T + 1,2Gly G + 1,0Ser S + 0,6Pro P - 0,2Tyr Y - 0,7His H - 3,0Gln Q - 4,1Asn N - 4,8Glu E - 8,2Lys K - 8,8Asp D - 9,2Arg R - 12,3

LSTTEVAMHTTTSSSVSKSYISSQTNDTHK...

Score 4,62,4

2,4-2,9

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Dynamique des molécules des membranes

Diffusion latérale des lipides et des protéines Transport à travers la bicouche lipidique Réactions aux interfaces

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Les lipides et les protéines peuvent diffuser

rapidement dans le plan de la membrane Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP)

Coefficients de diffusion latérale:Lipides 1-2 m2/sProtéines membranaires périphériques 1 m2/sProtéines membranaires intrinsèques 0.1-0.5 m2/sAttachement au cytosquelette 10-4 m2/s

t = r2/D

t

r

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Les bicouches lipidiques sont imperméables aux

molécules polaires

gaz

Les protéines membranaires sont indispensables pour le transport des molécules polairesions

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Fonctions des membranes

CompartimentationSéparation de réactions chimiques incompatiblesGradients de concentrationEnergétique cellulaire et mitochondries

Echanges Endocytose, exocytoseTransport: pompes et canauxMembrane plasmique

Communication intercellulaire Récepteurs, hormones et neurotransmetteursElectrophysiologie

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La compartimentation membranaire

Pour une cellule eucaryoteSurface de la membrane plasmique 1500 m2

Surface des membranes internes 45 000 m2

Surface du cytosquelette 150 000 m2

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Organisation du métabolisme cellulaire Appareil digestif

endosomes-lysosomeshydrolyses

CytosolANAEROBIE

glycolyse

MitochondrieAEROBIE

Cycle de l’acide citriquePhosphorylation oxydative

Excrétions

glucose

2 pyruvate

2 ATP24 kcal/mole

28 ATP336 kcal/mole

+ 6 O2

6 CO2 + 6 H2O686 kcal/mole

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Les molécules de l’énergétique cellulaire

glucose

pyruvateglycolyse

acides

ATP

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Structure des mitochondries

Matrice: cycle de Krebsoxydation des lipides

Membrane interne:phosphorylation oxydative

Espace intermembranaire:transphosphorylation des nucléotides

Membrane externe: filtre < 5000 Da

Cytosol: glycolyse

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La phosphorylation oxydative

Un couplage énergétique ...

… via un gradient de protons

gradient de protons

- 53 kcal/mole

+ 12 kcal/mole

6 protons par O réduit3 protons par ADP phosphorylé

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ATP

ADP + Pi

travailmécanique

flux de protons

L ’ATPsynthase F1F0, un convertisseur d’énergie

F0

F1

ATP

ADP + Pi

travailmécanique

flux de protons

QuickTime™ et undécompresseur Cinepak

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Coloration fonctionnelle des mitochondries

cellule endothéliale d’artère pulmonaire de boeuf

spermatozoïde de taureau

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Les triglycerides, forme de stockage de l’énergie

adipocyte

GLYCEROL

ACIDE GRAS

ACIDE GRAS

ACIDE GRAS

triacylglycerol + H2O glycerol + 3 acides gras

Palmitate + O2 CO2 + HO22340 kcal/mole

ATP)+ 129 (ADP + Pi 940 kcal/mole

dans la mitochondrie

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Fonctions des membranes

CompartimentationSéparation de réactions chimiques incompatiblesGradients de concentrationEnergétique cellulaire et mitochondries

Echanges Endocytose, exocytoseTransport: échangeurs, pompes et canaux

Communication intercellulaire Récepteurs, hormones et neurotransmetteursElectrophysiologie

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Transport de métabolites

glucose Na+

échangeur

canal pompe

117 mM

30 mM

Potentiel transmembranaire

- 60 mVX ?

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Microvilli de la membrane plasmique membrane plasmique cytosquelette d’actine

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Endocytose ou internalisation de molécules

fer sous forme de ferritine cholestérol sous forme de particule de lipoprotéine LDL

manteau protéique (clathrin coat)

récepteur spécifique (protéine transmembranaire)

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Exocytose ou sécrétion cellulaire Exemple du mastocyte

avant stimulation ... … après stimulation

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Sécrétion de protéines

réticulum endoplasmique

pulse : 1 min[3H]-leucine

chasse : 3 minchasse : 20

minchasse : 90 min

appareil de Golgi vésicules de sécrétion

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Fonctions des membranes

CompartimentationSéparation de réactions chimiques incompatiblesGradients de concentrationEnergétique cellulaire et mitochondries

Echanges Endocytose, exocytoseTransport: pompes et canaux

Communication intercellulaire Récepteurs, hormones, canaux et neurotransmetteursElectrophysiologie

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Le chimiotactisme

gradient d’hormone (AMPc)

récepteur spécifique (protéine)

réponse cellulaire (pseudopode)

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Les bases moléculaires de la transmission nerveuse

Canal régulé par la tension transmembranaire

Canal régulé par un neurotransmetteur

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Mesure des conductances élémentaires des

membranes par la technique du patch-clamp U

I

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Structure des canaux ioniques

membrane

Canal K+ voltage-dependant

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