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Université Ferhat Abbas Séti 1

Faculté des Sciences de la Nature et de la Vie

Département de Biochimie

Polycopie de cours de :

Biomembranes

Destiné aux étudiants de 1re année master en Biochimie

Appliquée

Réalisé par Pr H. BOURICHE

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Contenu de la matière 1. Introduction/rappels

2. Biomembranes: structure et organisation

3. Les protéines membranaires

4. Grandes fonctions des biomembranes

5. Diffusion des substances et transport membranaire

6. Application des biomembranes :

a. Santé

b. Industries et technologies

c. Perspectives et nouvelles technologies

I. Introduction /rappels La membrane plasmique constitue une enveloppe continue qui sépare le milieu intracellulaire

et le milieu extracellulaire. C’est une structure organisée, complexe, asymétrique

indispensable à la vie de la cellule. Elle désigne un assemblage de molécules en un double

feuillet séparant la cellule de son environnement et délimitant le cytoplasme cellulaire, ainsi

que les organites (le réticulum endoplasmique, le complexe golgien, la membrane

mitochondriale et membrane nucléaire) à l'intérieur de la cellule (figure 1).

Figure 1: les organites enfermés dans deux membranes phospholipidiques (par exemple, le noyau, le

chloroplaste, mitochondrie), les faces exoplasmique (rouge) bordent l'espace entre les membranes interne et

externe. Les chloroplastes contiennent également une pile de membranes thylacoïdes internes; la face

exoplasmique de ces membranes tapissent la lumière des thylakoïdes.

La surface cellulaire comporte :

- La membrane plasmique tripartite : au contact du hyaloplasme avec ses particularités

propres. La bicouche phospholipidique forme deux feuilles avec des extrémités dont laquelle

l'intérieur hydrophobe est en contact avec l'eau.

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- Le « cell coat » ou glycolemme ou glycocalyx : ensemble de rameaux glucidiques liés aux

structures membranaires, sous forme d’un revêtement fibreux situé sur la face extracellulaire

de la membrane plasmique.

Les membranes cellulaires doivent être clairement distinguées des parois, capsules ou autres

enveloppes pouvant entourer les cellules vivantes. Les biomembranes font intégralement

partie de la matière cellulaire (ou protoplasme). Lorsque la cellule meurt, les biomembranes

se désorganisent, alors que les parois peuvent fort bien subsister.

II. Biomembranes: structure et organisation

II.1. Structure de la biomembrane Le microscope électronique révèle, sur les coupes ultrafines de cellules ou tissus fixés au

glutaraldéhyde puis contrastées par des métaux lourds (tétroxyde d’osmium ou permanganate

de potassium) une image tripartite (figure 2) pour toutes les biomembranes, quelle qu’en soit

l’origine

Figure 2 : Cette image tripartite fondamentale montre une zone centrale claire de 4 nm d’épaisseur environ, entre

deux bandes (Deux feuillets) sombres (plus opaques aux électrons); l’ensemble mesure 7.5 à 10 nm d’épaisseur,

selon le type cellulaire.

Les composants-clé de la membrane biologique sont les phospholipides. Ils ont la capacité de

s'auto-organiser en un double feuillet, leurs têtes hydrophiles pointant vers l'extérieur et leurs

chaînes hydrophobes pointant vers l'intérieur de la membrane.

Bien que toutes les membranes biologiques ont la même structure phospholipidique bicouche

de base et certaines fonctions communes, chaque type de membrane cellulaire a également

certaines activités particulières déterminées en grande partie par l'ensemble unique de

protéines associées à cette membrane (protéines intégrales et des protéines périphériques).

La membrane est un ensemble complexe de lipides, de protéines et de glucides régulant les

échanges de matière entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule ou entre deux compartiments

cellulaires.

La membrane plasmique est composée très majoritairement de protéines et de lipides. Les

glucides se trouvent dans les glycoprotéines et les glycolipides.

1. Les lipides Les lipides sont des molécules amphiphiles formées d’une tête polaire hydrophile (contenant

les groupements COOH ayant une forte affinité pour l’eau et une queue apolaire hydrophobe

(qui n’établit pas de relation avec l’eau).

Cette propriété physico-chimique est à la base de l’organisation des lipides en bicouche

lorsqu’ils sont placés dans un milieu aqueux.

Ils comprennent trois variétés : les phospholipides, le cholestérol et les glycolipides.

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1.1. Les phospholipids: se sont les composants lipidiques les plus abondants dans la plupart

des membranes, ils constituent 55% des lipides membranaires. Ils sont des molécules

amphipathiques ou amphiphiles (ils ont une partie hydrophile et une partie hydrophobe).

On distingue deux types de phospholipides, dérivés soit du glycérol, soit de la sphingosine :

a- Les phosphoglycérides : principale classe des phospholipides, les chaînes latérales

(acyles) de deux acid gras sont estérifiées à deux des trois groupes hydroxyles du glycérol, et

le troisième groupe d'hydroxyle est estérifié par le phosphate. Le groupe phosphate est

également estérifié par un groupe hydroxyle d’un composé hydrophile, tel que la choline en

phosphatidylcholine (figure 3).

Figure 3: Structures de la phosphatidylcholine, la partie hydrophobe de la molécule est représentée en jaune; la

partie hydrophile, en bleu.

La charge négative sur le phosphate ainsi que les groupes chargés ou des groupes hydroxyle

sur l'alcool estérifié il interagit fortement avec l'eau. Les deux chaînes latérales (acyle) des

acides gras dans un phosphoglycéride peuvent être saturées ou insaturées, ou une chaîne peut

être saturée et l'autre insaturé. Au lieu de la choline, des alcools tels que l'éthanolamine, la sérine et l'inositol sont liées au

phosphate dans d'autres phosphoglycérides (figure 4). La charge négative sur le phosphate

ainsi que les groupes chargés ou des groupes hydroxyles sur l'alcool estérifié interagissent

fortement avec l'eau.

Figure 4 : Phosphoglycérides

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b- Sphingolipides (sphingophospholipides): Forment une catégorie de lipide membranaire

moins fréquente. Ils correspondent à l’association de la sphingosine, d’acide gras, d’acide

phosphorique et d’alcool ou d’acides aminés. Ils représentent la plupart des lipides qui

contiennent des glucides (glycosphingolipides ou les glycolipides).

Le sphingomyéline : le groupe hydroxyle terminal de la sphingosine est estérifié par la

phosphocholine (figure 5), de sorte que sa tête hydrophile est similaire à celle de la

phosphatidylcholine.

Figure 5 : Sphingomyéline

1.2. Les glycolipides : sont exclusivement présents du côté extracellulaire de la bicouche

lipidique. Ils constituent environ 18% des lipides membranaires, cependant leur quantité varie

d'une espèce à une autre mais aussi d'un tissu à un autre. Ils sont particulièrement abondants

dans les cellules nerveuses. Les glycolipides sont de deux types, on trouve les

glycéroglycolipides (figure 6) et les sphingoglycolipides.

Glucosylcerebroside : l'un des glycolipides plus simples consiste en céramide (formé à partir

de sphingosine et d'acide oléique) lié à un seul résidu de glucose. Ce glycolipide est abondant

dans la gaine de myéline.

Figure 6 : Glycéroglycolipides

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Exemples de la composition des membranes:

1.3. Le cholestérol et ses dérivés : constituent une autre classe importante de lipides

membranaires (les stéroïdes). Le cholestérol est le constituant majeur stéroïdien des tissus

animaux. La teneur en cholestérol de la membrane plasmique peut atteindre le quart (25%) de

la totalité des lipides membranaires. Le cholestérol maintient la stabilité mécanique de la

membrane (rigidité), diminue sa fluidité et sa perméabilité aux petites molécules.

Chez les animaux, le cholestérol est le seul stérol constitutif de la membrane plasmique. Il est

absent chez les végétaux supérieurs et les champignons dont la membrane plasmique contient

d’autres types de stérols (figure 7). Le cholestérol possède une fonction hydroxyle et un

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noyau tétracyclique rigide. Il est amphiphile, très hydrophobe à l’exception du groupe OH qui

est hydrophile qui peut interagir avec l'eau. Le cholestérol s’insère dans la bicouche des

phospholipides (figure 8).

Figure 7 : le cholestérol chez les animaux et l’ergostérol chez végétaux supérieurs

Figure 8 : Le cholestérol s’insère dans la bicouche des phospholipides.

2. les protéines membranaires Les protéines membranaires ont des rôles bien spécifiques au sein de la double couche

phospholipidique: récepteurs, transporteurs, adhérence cellulaire, catalyse enzymatique,

messagers intracellulaires..etc. Les protéines sont ancrées de différentes manières dans la

membrane (figure 9). Il existe deux grandes classes de protéines membranaires :

2.1. Les protéines intra-membranaires : Insérées dans la membrane, la pénètrent assez

profondément pour que leurs parties hydrophobes se trouvent entourées par les parties

hydrocarbonées des lipides. Certaines protéines intra-membranaires comportent des

extrémités hydrophiles exposées aux solutions aqueuses de part et d'autre de la membrane.

Les protéines transmembranaires traversent les deux feuillets de la membrane. Elles sont liées

de manière stable à la membrane avec l’environnement hydrophobe de la face interne de la

membrane, par les acides aminés apolaires de leurs hélices α (figure 10). Elles ne peuvent

ainsi être séparées de la double couche phospholipidique (et donc étudiées) que par l’action de

détergents.

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Figure 9 : Le domaine transmembranaire des protéines est souvent constitué d’hélices hydrophobes (dans cette

figure 21 acides aminés hydrophobes en jaune).

Les protéines transmembranaires ont toujours une orientation unique dans la membrane, presque

toujours en hélice ou cylindre.

Cylindres (figure 12):

• Abondants dans la membrane externe des bactéries, mitochondries, chloroplastes

• Beaucoup plus rares que l’hélices chez les eucaryotes

• Souvent boucles qui font saillie dans la lumière

• Forment des pores (eg : porine), parfois se sont des porines spécifiques (maltoporines)

• Forment une structure rigide, plus rigides que l'hélice

• facile à cristalliser

• Le nombre de plis peut varier de 8 à 22.

Figure 12 : Exemples des cylindres

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Hélice (figure 13 et 14):

- Simulations d'une hélice de protéine transmembranaire Modèles de l'hélice de la

protéine transmembranaire M2 du virus influenza A dans une bicouche lipidique (figure 11).

Figure 13: Modèles de l'hélice de la protéine transmembranaire M2 du virus influenza A dans une

bicouche lipidique.

- Simulations de canaux ioniques dans une bicouche lipidique.

Hélice M25 et Canal potassique KcsA (figure 14).

Figure 14 : (a) Hélice M25 (b) Canal potassique KcsA

2.2. Les protéines périphériques

Les protéines périphériques ne pénètrent pas dans la membrane, elles constituent des

appendices rattachés à la surface membranaire, souvent à la partie saillante de protéines intra-

membranaires. Elles sont localisées en dehors de la bicouche phospholipidique et sont ainsi

soit entièrement extracellulaire, soit entièrement intracellulaire.

Sur le feuillet interne de la membrane plasmique, des filaments du cytosquelette aident à

maintenir en place certaines protéines périphériques et les protéines intra-membranaires

associées. Elles interagissent avec la membrane, par des liaisons électrostatiques de types liaisons

hydrogènes et liaisons de Van der Waals, au niveau de domaines caractéristiques de protéines

transmembranaires ou de lipides. Ces interactions étant faibles, elles sont rompues facilement par des

variations de forces ioniques et de pH.

a) Les protéines ancrées avec d'autres protéines de la membrane

Exemple : La protéine dystrophine est ancrée au sarcoleme (membrane plasmique des fibres

musculaires striées) par les dystroglycanes (figure 15).

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Figure 15 : La protéine dystrophine est ancrée par les dystroglycanes

b) Les protéines ancrées par des lipides

Les protéines périphériques ancrées dans les lipides sont de deux types :

- Ancrées sur les glyco-phosphatidyl-inositol qui correspondent à l’association d’une

phospho-éthanol-amine sur des sucres, eux-mêmes ancrés sur un phosphatidyl-inositol. Ces

protéines sont présentent sur la face extracellulaire de la membrane.

- Ancrées à la membrane par l’intermédiaire d’acide gras (acide palmitique et acide

myristique) ou un groupe prényl. Ces protéines sont présentent sur la face intracellulaire de la

membrane (figure 16). Cet ancrage aide à localiser une protéine soluble dans la membrane et

il Peut être transitoire.

Figure 16 : Exemple d’attachement d'une protéine membranaire par une chaîne d'acide gras ou un groupement

prényl.

II.3. Les glucides

La grande majorité des glucides membranaires sont sous forme de glycoprotéines et une petite

partie sous forme de glycolipides. Les glucides se trouvent dans les nombreuses liés de façon

covalente soit à des protéines comme constituants de glycoproteines ou aux lipides comme

constituants de glycolipides.

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Les glycoprotéines et les glycolipides sont particulièrement abondants dans la membrane

plasmique de cellules eucaryotes, mais sont absentes dans la membrane interne

mitochondriale, les lamelles chloroplaste, et plusieurs autres membranes intracellulaires.

Presque invariablement, les glucides sont localisés à la face de la membrane exoplasmique.

Les glucides jouent plusieurs rôles importants :

- Ils augmentent le caractère hydrophile de lipides et de protéines et aide à stabiliser les

conformations de nombreux membranes et protéines.

- Ils stabilisent la conformation des structures tertiaires de la portion extra-cytoplasmique des

protéines membranaires.

- Ils facilitent l'hydratation des protéines par la rétention d'eau liée au contact de la cellule.

- Les glucides jouent un rôle important dans les interactions cellules-cellules.

- La complexité des polysaccharides suggère qu'ils sont impliqués dans la reconnaissance

cellule-cellule; les lectines (exemple: la phytohémaglutinine extraite d'un haricot) sont des

sucres capables d'activer des lymphocytes en se liant aux glycoprotéines de surface de cette

cellule.

- Ils assurent la reconnaissance et l'arrivage du spermatozoide sur l'ovaire.

- Les cellules sanguines vieillies qui ont perdu des résidus d'acide sialique sont reconnues puis

détruites par les macrophages du foie et de la rate qui ont des récepteurs membranaires à

l'asialo-GM1.

- Ils accroissent la solubilité et stabilisent la conformation tridimensionnelle des parties extra-

cytoplasmiques des protéines; ils participent à la création de la forme des récepteurs ce qui

permet leur interaction avec le messager circulant (hormones ou facteurs de croissance).

- L'acide sialique assume la négativité du potentiel électrique externe de la membrane ; cette

charge joue un rôle dans la répulsion des cellules entre elles.

- Les charges négatives ont un rôle de filtre pour les substances chargées négativement (au

niveau de la membrane basale glomérulaire, notamment) et facilitent l'adsorption de

substances chargées positivement (héparan-sulfates).

- Les antigènes de groupe sanguins ABO sont des glycolipides insérés dans la membrane

plasmique des érythrocytes. Ils sont composés de sucres complexes reconnus par des

anticorps naturels du plasma.

3.1. Les glycolipides (phingoglycolipides et les glycéroglycolipides). Ils constituent environ

18% des lipides membranaires, cependant leur quantité varie d'une espèce à une autre mais

aussi d'un tissu à un autre. Ils sont particulièrement abondants dans les cellules nerveuses. Les

glycolipides se trouvent toujours dans le feuillet exoplasmique des membranes et sont situées

principalement sur la surface membranaire des cellules. Comme dans le cas des

glycoprotéines, les hydrates de carbone des chaînes polaires font face vers l'extérieur vers

l'environnement et à l'écart de la cellule. Les glucides sont liés à des protéines par des liaisons

N-glycosidiques (le plus souvent) et des liaisons O-glycosidiques, sous forme de petites

glycoprotéines ou de protéoglycanes.

3.2. Les glycoprotéines contiennent des polysaccharides courts, souvent ramifiés et

n’excédant pas 50% du poids moléculaire de la glycoprotéine. Le sucre terminal est souvent

de l’acide sialique chargé négativement.

Les protéoglycanes sont également des glycoprotéines, mais qui contiennent des

polysaccharides à chaîne longue composée d’unités disaccharidiques répétées à l’infini,

représentant jusqu’à 90% du poids moléculaire globale. Souvent un des deux sucres de l’unité

est aminé, on parle alors de glyco-amino-glycane dont le plus simple est l’acide hyaluronique.

Pour information, les protéoglycanes sécrétoires composent la matrice extracellulaire (tissu

conjonctif, cartilage, etc.) sont différents des protéoglycanes cellulaire.

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II.2. Organisation de la biomembrane

La membrane cellulaire, se compose de deux feuillets de molécules de phospholipide dont les queues

acyles forment l’intérieur hydrophobe de la bicouche; leurs, groupes de tête hydrophiles polaires

bordent les deux surfaces. La plupart des protéines intégrales couvrent la bicouche, quelques-uns sont

attachés à une plaquette par un groupe d'ancrage lipidique attaché de manière covalente. Les protéines

périphériques sont principalement associées à la membrane par des interactions spécifiques protéine-

protéine. Les oligosaccharides se lient principalement aux protéines membranaires; cependant, certains

se lient aux lipides, formant des glycolipides (figure 17).

Figure 17 : Organisation de la biomembrane

1. Auto-assemblage des lipides

Les phospholipides, dus à leurs propriétés physico-chimiques, s’assemblent de manière

automatique (figure 18) en différentes sortes de structures (figure 19) suivant

l’environnement.

-Les monocouches sont des couches mono-moléculaires dont les têtes hydrophiles sont

dirigées vers le milieu aqueux et les queues hydrophobes vers le milieu lipidiques.

- Les micelles sont des formations sous la forme de gouttelettes rondes, où dans un milieu

aqueux les têtes hydrophiles sont dirigées vers l’extérieur de la sphère et les queues

hydrophobes sont dirigées vers l’intérieur (dans un milieu lipidique la conformation est

inverse).

- Les bicouches phospholipidiques permettent la formation de vésicules sphériques

appelées liposomes. Les bicouches phospholipides rentrent dans la formation des bicouches

membranaires.

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Figure 18: Formation expérimentale de bicouches de phospholipides purs. (Haut) Une préparation de membranes

biologiques sont traités avec un solvant organique, tel qu'un mélange de chloroforme et de méthanol (3: 1), ce qui solubilise

sélectivement les phospholipides et le cholestérol. Protéines et des glucides restent dans un résidu insoluble. Le solvant est

éliminé par évaporation. (En bas à gauche) Si les lipides sont mécaniquement dispersés dans l'eau, ils forment spontanément

un liposome, représenté en coupe transversale, avec un compartiment aqueux interne. (En bas à droite) Une bicouche plane,

également montré en coupe, peut se former sur un petit trou dans une cloison séparant deux phases aqueuses; ces bicouches

sont souvent appelés «lipidmembranes noir» en raison de leur apparence.

Figure 19 : Différentes sortes de structures de phospholipides

2. Asymétrie de la biomembrane

Le feuillet interne et le feuillet externe des membranes sont bien distincts. En effet, ils ne

présentent pas la même composition lipidique et l'orientation des protéines est diffère. En

outre, seul le feuillet externe de la membrane plasmique contient des glycoprotéines et des

glycolipides. Cette répartition inégale est déterminée durant la formation de la membrane par

le réticulum endoplasmique.

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2.1. Asymétrie des lipides

La distribution des lipides est asymétrique au sein de la membrane (figure 20). Les lipides

sont présents sous différentes formes (parmi elles on compte les phospholipides, les

glycolipides et le cholestérol).

L’asymétrie des lipides entraîne ainsi une asymétrie de la charge globale de chaque feuillet.

Le feuillet interne est caractérisé par les phosphatidyl-sérine (amphotère) et phosphatidyl-

éthanol-amine (charge négative). Le feuillet externe est caractérisé par

la sphingomyéline (charge négative) et la phosphatidyl-choline (charge négative).

Figure 20 : Exemple de la distribution asymétrique des lipides dans la membrane.

La composition en phospholipides diffère dans les feuillets membranaires. La plupart des

types de phospholipide, ainsi que le cholestérol, sont généralement présents dans les deux

feuillets de membrane, bien qu'elles soient souvent plus abondant dans l'un ou l'autre. Par

exemple, dans les membranes plasmiques de globules rouges humains et certaines cellules

rénales développées en culture, la quasi-totalité de la sphingomyéline et de la

phosphatidylcholine, qui ont un groupe de tête chargé positive, se trouvent dans le feuillet

exoplasmique. En revanche, les lipides avec des groupes polaires neutres ou négatifs (par

exemple, la phosphatidyléthanolamine, la phosphatidylsérine, et le phosphatidylinositol) sont

de préférence situés dans le feuillet cytosolique.

Radeaux lipidiques (Rafts)

• Microdomaines maintenus par des chaînes longues et saturées de lipides (comme les

sphingolipides)

• Considérés comme des changements de phase dans la bicouche lipidique qui se trouve

enrichie en sphingolipides et cholestérol

• Organisent certaines protéines membranaires qui s'accumulent dedans

• ils représentent entre 10 % et 30 % de la surface membranaire. Enfin, les mouvements

des deux feuillets ne sont plus indépendants au niveau des radeaux lipidiques car les

chaînes de sphingolipides sont très longues.

• Chaînes longues membrane plus épaisse, environ 70 nm de diamètre

Les radeaux lipidiques (figure 21) contiennent généralement 3 à 5 fois la quantité de

cholestérol trouvée dans la bicouche lipidique environnante. Aussi, les rafts sont enrichis

en sphingolipides comme la sphingomyéline, qui est typiquement supérieure de 50% par

rapport à la membrane plasmique. Pour compenser les niveaux de sphingolipides, les

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niveaux de phosphatylcholine sont réduits ce qui résulte en des niveaux similaires en

protéines contenant des cholines entre le radeau et la membrane environnante.

Le cholestérol interagit préférentiellement avec les sphingolipides dû à leur structure et à la

saturation des chaînes d'hydrocarbones.

Figure 21 : Exemple d’un radeau lipidique

Bien que tous les phospholipides du raft ne soient pas entièrement saturées, les chaînes

hydrophobiques des lipides contenus dans le raft sont plus saturées et jointes de façon plus

serrées que la membrane environnante.

Le cholestérol joue le rôle d'une colle qui structure le raft. Dû à la nature rigide du groupe

stérol, le cholestérol se morcelle préférentiellement dans les radeaux lipidiques où les chaînes

acyl des lipides ont tendance à être plus rigides et dans un état moins fluide.

Une propriété importante des membranes lipidiques est leur nature amphiphile ; or le

cholestérol a la capacité de se placer entre les lipides, servant d'écarteur pour les molécules et

remplissant les éventuels espaces entre les sphingolipides associés.

Un radeau lipidique se caractérise par sa faible densité et son insolubilité dans des détergents

doux, d'où l'autre nom parfois utilisé est detergent-resistant membrane.

Les radeaux lipidiques forment ainsi des sites privilégiés pour la libération des

neurotransmetteurs et donc pour la propagation de l'influx nerveux. Ils ont un rôle essentiel

dans la signalisation cellulaire.

2.2. Asymétrie des protéines

Les protéines intégrales se lient asymétriquement à la bicouche lipidique. On visualise

également une asymétrie des protéines présente dans la double couche phospholipidique ; ces

protéines participent à caractériser les propriétés de la membrane, que cela soit du côté

intracellulaire ou extracellulaire. Chaque type de protéine membranaire intégrale a une seule

orientation spécifique par rapport aux faces cytosolique et exoplasmique de la membrane

cellulaire, et toutes les molécules de chaque protéine intégrante ont cette orientation

particulière. Cette asymétrie dans l'orientation absolue de la protéine confère des propriétés

différentes sur les deux faces de la membrane.

En conséquence, l'asymétrie d'une protéine membranaire, qui est établie au cours de sa

biosynthèse et l'insertion dans une membrane, est maintenue pendant toute la durée de vie de

la protéine.

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2.3. Asymétrie des glucides

La plus grande asymétrie est celle présente au niveau des glucides, en effet tous les motifs

glucidiques sont localisés sur le feuillet externe de la membrane plasmique. Pour les organites

intracellulaires les sucres sont dirigés vers la lumière de l’organite. « L’arbre glucidique »

présent au niveau du feuillet externe de la membrane plasmique forme ce que l’on appelle

le glycocalix.

2.3. Fluidité de la biomembrane

La fluidité membranaire intervient dans différentes fonctions cellulaires : absorption,

sécrétion, protection, adhérence, communication, interaction avec la matrice, etc.

1. Les lipides sont mobiles dans les biomembranes Dans les deux bicouches de phospholipides purs (artificielles) et membranes naturelles, le

mouvement thermique permet aux molécules de phospholipides et de glycolipids de tourner

librement autour de leurs axes longs et de diffuser latéralement dans le feuillet membranaire.

Du fait que ces mouvements sont latéraux ou rotatifs, les chaînes d'acyles gras restent dans

l’intérieur hydrophobe de la membrane.

Dans les deux membranes naturelles et artificielles, une molécule lipidique typique change le

lieux avec ses voisins dans un feuillet environ 107 fois par seconde et diffuse plusieurs

micromètres par seconde à 37 ° C. A ce rythme, un lipide peut diffuser au long d'une cellule

bactérienne typique (≈1 um) dans seulement 1 seconde et au long de la cellule animale en

environ 20 secondes.

Les lipides ont trois types de mouvements (figure 22), la diffusion latérale (un lipide peut

changer de place avec son voisin), la rotation (sur place), le flip flop (changement de feuillet

avec basculement, favorisé par des flipases avec consommation d'ATP.

Dans les bicouches de phospholipides purs, les phospholipides ne migrent pas, ou flip flop

(basculer ou sauter) d'un feuillet à l'autre. Dans certaines membranes naturelles, cependant, ils

le font de temps en temps, catalysée par certaines protéines membranaires appelées flippases.

Énergétiquement, ces mouvements sont extrêmement défavorables, parce que la tête polaire

d'un phospholipide doit être transportée à travers l’intérieur hydrophobe de la membrane.

Figure 22 : Trois types de mouvements de lipides

Les phospholipides sont libres de se diffuser à l'intérieur d'une telle région, mais pas d'une

région riche en lipides à un adjacente. En outre, la vitesse de diffusion latérale des lipides est

presque d’un ordre de grandeur plus lente que dans les bicouches phospholipidiques pures.

Cette différence suggère que les lipides peuvent être étroitement, mais pas de manière

irréversible, lié à certaines protéines intégrales dans certaines membranes.

La fluidité est conditionnée par les facteurs suivants:

a- Température et l composition en acides-gras : Plus les chaînes carbonées des acides-

gras sont courtes et insaturées plus la membrane est fluide. Les acides gras saturés assurent la

rigidité de la membrane

Une conséquence de l'emballage des chaînes d'acyles gras au sein du centre d'une bicouche

phospholipidique est un brusque changement de ses propriétés physiques sur une plage très

étroite de température.

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Par exemple, quand une suspension de liposomes ou d'une bicouche plane composée d'un seul

type de phospholipides est chauffée, il passe d'un état de gel hautement ordonné à un état

fluide plus mobile (Figure 23). Au cours de cette transition de phase, une quantité

relativement importante de la chaleur (énergie thermique) est absorbée sur une plage de

température étroite; le milieu de cette gamme est la "température de fusion" de la bicouche.

D'une manière générale, les lipides avec des chaînes d’acyles gras courts ou insaturés

subissent une transition de phase à des températures plus basses que ne le font pas les lipides

avec des chaînes longues ou saturés. Par rapport aux longues chaînes, les chaînes courtes ont

moins de surface pour former des interactions de van der Waals entre eux.

Etant donné que l'état de gel est stabilisé par ces interactions, les lipides à chaîne courte

fondent à des températures plus basses que les lipides à chaîne longue.

Figure 23 : formes alternatives de la bicouche phospholipidique. La chaleur provoque la transition d'un gel à un

fluide sur une plage de température de quelques degrés seulement. La phase liquide est favorisée par la présence

de chaînes d'acyles gras courts et par une double liaison dans la chaîne; Par conséquent, ces caractéristiques

structurelles réduisent la température de fusion de bicouches.

De même, les Kinks dans les chaînes d’acyles gras insaturés entraînent dans leur formation de

moins stable van der Waals avec d'autres lipides que faire des chaînes saturées. En

conséquence, les lipides insaturés maintiennent, un état fluide plus aléatoire à des

températures plus basses que les lipides avec des chaînes acyle gras saturés.

Le maintien de cette fluidité de bicouches semble être essentiel pour la croissance normale

des cellules et leur reproduction. Toutes les membranes cellulaires contiennent un mélange de

différentes chaînes d'acyles gras et sont fluides à la température à laquelle la cellule est

cultivée. Des cellules animales et bactériennes adapter à une diminution de la température de

croissance en augmentant la proportion d'insaturation des acides gras saturés dans la

membrane, qui tend à maintenir une double couche de fluide à la température réduite.

b- Proportion de cholestérol : Le cholestérol de la membrane est un autre déterminant

majeur de la fluidité. Il renforce la solidité et rigidité membranaire. Le cholestérol est trop

hydrophobe pour former une structure en feuille sur elle-même, mais elle est intercalée

(ajouté) parmi les phospholipides. Son groupe hydroxyle polaire est en contact avec la

solution aqueuse à proximité des groupes de tête polaires des phospholipides; l’anneau

stéroïde interagit avec et tend à immobiliser leurs chaînes d'acyles gras. L'effet net de la

fluidité du cholestérol varie, en fonction de la composition lipidique. Le cholestérol limite le

mouvement aléatoire des têtes polaires des chaînes d'acyles gras, qui sont le plus près des

surfaces externes des feuillets, mais il se sépare et se disperse la queue, ce qui provoque les

régions intérieures de la double couche à devenir légèrement plus fluide.

Aux fortes concentrations trouvées dans les membranes plasmiques des eucaryotes, le

cholestérol tend à rendre la membrane moins fluide à des températures de croissance proches

de 37 °C. Inférieure à la température qui provoque une transition de phase, le cholestérol

maintient la membrane dans un état fluide en empêchant les hydrocarbures gras des chaînes

acyle des lipides de la membrane de se lier les uns aux autres, compensant ainsi la diminution

drastique de la fluidité qui autrement se produire à de basses températures.

c- Quantité de protéines : Les protéines diminuent la fluidité membranaire.

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2. Les protéines intégrales sont latéralement mobiles Diverses expériences ont montré que de nombreuses protéines membranaires intégrales, comme les

phospholipides, flottent librement tout à fait dans le plan d'une membrane naturelle.

Dans une étude (Figure 24), deux cellules différentes sont fusionnés et le mouvement de leurs

protéines de surface est ensuite contrôlé à différents moments après incubation à 37 °C. Ces

expériences suggèrent que de nombreuses protéines intégrales sont libres de se diffuser dans une mer

de lipide dans l'espace à deux dimensions de la membrane. Les mouvements latéraux des protéines de

surface et des lipides peuvent être quantifiés par une technique dite récupération de fluorescence après

photoblanchiment (FRAP). Des études FRAP avec des phospholipides marqués par fluorescence ont

montré que dans les membranes plasmiques des fibroblastes, les phospholipides sont librement

mobiles sur des distances d'environ 0,5 pm, mais la plupart ne peuvent pas se répandre sur de plus

grandes distances.

Les protéines n’ont jamais été observées à flip-flop à travers une membrane; un tel

mouvement, impliquant un mouvement transitoire de résidus d'acides aminés et de sucre

hydrophiles à travers l'intérieur hydrophobe de la membrane, sera énergétiquement

défavorable.

Les protéines sont capables de bouger dans cette membrane par rotation, diffusion latérale.

Le fait que les protéines au niveau de la membrane sont accrochées aux protéines d’autres

cellules va limiter les déplacements. Tous ces phénomènes régulent et limitent la diffusion des

protéines de la membrane. Certaines protéines vont être bloquées par des structures

intracellulaires ou extracellulaires par des interactions protéines-protéines ou interactions avec

le cytosquelette.

Figure 24: Démonstration expérimentale que les protéines de surface cellulaire sont latéralement mobiles. Des

cellules humaines et de souris sont fusionnés. Immédiatement après la fusion, les antigènes de surface des deux

types de cellules restent localisées dans les moitiés respectives de la cellule fusionnée; ils peuvent être détectés

par des anticorps fluorescents (dans ce cas précis pour la souris H-2 protéines). Après plusieurs heures

d'incubation, les protéines de souris et de la surface humaine sont uniformément répartis dans la membrane de la

cellule fusionnée, ce qui montre que la majeure partie de la surface des protéines H-2 et HLA ne sont pas

rigidement maintenu en place dans les membranes des cellules de la souris et humaine d'origine. Le mouvement

de protéine est arrêtée par refroidissement des cellules et en les traitant avec un réactif (par exemple le

glutaraldéhyde) qui se lie (cross-links) avec les résidus lysine.

19

IV. Grandes fonctions des biomembranes

Dans toutes les cellules, la membrane plasmique a plusieurs fonctions essentielles. Ceux-ci

comprennent :

- le transport des nutriments et des déchets métaboliques en dehors de la cellule; empêcher

les matières indésirables dans le milieu extracellulaire de pénétrer dans la cellule; la

prévention de la perte de métabolites nécessaires et le maintien de la composition ionique

appropriée, le pH (≈7.2) et la pression osmotique du cytosol.

Pour mener à bien ces fonctions, la membrane plasmique contient des protéines spécifiques de

transport qui permettent le passage de certaines petites molécules mais pas d'autres. Plusieurs

de ces protéines utilisent de l'ATP pour pomper des ions et d'autres molécules dans ou hors de

la cellule contre leurs gradients de concentration. De petites molécules chargées telles que

l'ATP et les acides aminés peuvent se diffuser librement dans le cytosol, mais ils sont limités

dans leur capacité à quitter ou à traverser la membrane plasmique.

En plus de ces fonctions universelles, la membrane plasmique a un rôle crucial dans d'autres

organismes multicellulaires :

- Peu de cellules dans les plantes et les animaux multicellulaires existent comme des entités

isolées; plutôt, des groupes de cellules avec des spécialisations connexes se combinent pour

former des tissus. Secteurs spécialisés de la membrane plasmique contiennent des protéines

et des glycolipides qui forment les contacts et les jonctions entre les cellules spécifiques pour

renforcer les tissus et pour permettre l'échange des métabolites entre les cellules.

- D'autres protéines présentes dans la membrane agissent comme des points d'ancrage pour

la plupart des fibres de cytosquelette qui imprègnent le cytosol, ce qui confère la forme et la

résistance aux cellules.

- La plupart des cellules animales sont entourées par un mélange de protéines et de

polysaccharides fibreux appelés collectivement la matrice extracellulaire. Cette matrice

visqueuse, remplie d'eau fournit une litière sur laquelle la plupart des feuilles de cellules

épithéliales ou de petites glandes se trouvent. Les protéines présentes dans les cellules

d'ancrage de la membrane plasmique à un grand nombre des composants de la matrice, en

ajoutant à la résistance et la rigidité de nombreux tissus.

- En outre, les enzymes liées à la membrane plasmique catalysent des réactions qui se

produiraient avec difficulté dans un environnement aqueux.

- La membrane plasmique de nombreux types de cellules eucaryotes contient également des

récepteurs protéiques qui se lient à des molécules de signalisation spécifiques (par exemple,

hormones, facteurs de croissance, les neurotransmetteurs), conduisant à diverses réponses

cellulaires.

En résumé

• La membrane cytoplasmique sépare l'intérieur de la cellule du milieu extracellulaire

tout en maintenant des communications et des échanges avec celui - ci.

• Elle permet ou non le passage des ions et des molécules et en contrôle les flux entrants

et/ou sortants.

• Échange sélectif de la matière (transporteurs membranaires, canaux ioniques et

protéines impliquées dans l'exocytose et l'endocytose)

• Adhérence à la matrice extracellulaire et aux cellules adjacentes (intégrines et

cadhérines)

• Connexion avec le cytosquelette (vinculine associée avec les intégrines et la

membrane plasmique)

• Réception des signaux extracellulaires (récepteur du facteur de croissance EGF)

20

• Transduction du signal par des molécules effectrices (protéine-G)

• Support d'activités enzymatiques (protéine kinase C (PKC) et succinate-coQ-réductase

(métabolisme mitochondrial).

• Transformation et stockage d'énergie

• Elle sert aussi à présenter les "signaux du soi " qui permet la reconnaissance par le

système immunitaire.

• Elle assure la reconnaissance de signaux et molécules provenant du milieu

extracellulaire, grâce aux récepteurs moléculaires spécifiques qu'elle contient.

• D’autres fonctions assurées par la membrane ne sont exercées que par certains

types de cellules différenciées comme par exemple la propagation des potentiels

d’actions par les neurones.

V. Diffusion des substances et transport membranaire

La membrane forme une barrière à perméabilité sélective ou différentielle, c’est-à dire qu’elle

ne laisse passer que certaines substances, comme les nutriments, en excluant de nombreux

produits indésirables et le passage des ions de façon à maintenir une concentration ionique

optimale. Simultanément, elle retient les précieuses protéines cellulaires et d’autres molécules

tout en laissant sortir les déchets.

La membrane permet le transport des molécules qui entrent et qui sortent de la cellule.

Certaines molécules passent facilement, difficilement ou pas du tout.

Passage facile : Molécules hydrophobes (lipides, hydrocarbures, acides gras, vitamines

liposolubles), gaz (CO2, O2) et petites molécules (eau, lentement).

Passage difficile ou imperméable : Molécules hydrophiles (Molécules polaires (eau,

rapidement), grosses molécules (glucides, a.a.) et ions (Na+, K

+).

Les mouvements des substances à travers la membrane plasmique peuvent se produire de

deux façons, activement ou passivement.

I. Mécanisme passif (transport passif) : Il se fait sans consommation d'énergie, il se fait le

long du gradient de concentration. Il permet, de faire passer une substance à travers une

membrane d’un milieu très concentré en cette substance vers le milieu le moins concentré.

I.1. Diffusion simple: La diffusion est un processus de transport passif qui joue un rôle

important dans toutes les cellules de l’organisme. Passage direct à travers la membrane. De

petites molécules neutres comme Н2О, СО2, О2, NH3, l'urée, l`alcool, les substances

organiques hydrophobes peu moléculaire (les hormones stéroïdes, le benzol) diffusent à

travers la membrane (figure 25). La vitesse de la diffusion dépend de :

- Faible masse et volume moléculaire : plus elles sont petites, plus elles diffusent vite, seuls

les petites molécules de faible masse moléculaire peuvent traverser la membrane.

- L’absence de polarité : la molécule doit donc être hydrophobe (apolaire ou lipophile)

comme les stéroïdes, les gaz (oxygène, dioxyde de carbone, oxyde d’azote), si elle est

hydrophile (polaire), être suffisamment petite (en pratique : éthanol, méthanol, urée...).

- L’absence de charge : une molécule chargée, même de très petite dimension, ne pénètre pas

la bicouche lipidique.

- Gradient de concentration (la pente du gradient): le déplacement de la molécule repose

sur la différence de concentration d’une part et d’autre de la membrane.

- Température : plus celle-ci est élevée, plus la diffusion est rapide.

21

Figure 25 : Diffusion simple

Cependant, la diffusion passive d’une molécule à travers la membrane plasmique est possible

si la molécule est liposoluble, assez petite pour passer dans les pores de la membrane.

La diffusion non assisté des particules liposolubles ou de très petite taille est appelée diffusion

simple. Dans le cas particulier de la diffusion non assistée de l’eau, on parle d’osmose.

L’osmose : La diffusion d’un solvant, par exemple l’eau, à travers une membrane à

perméabilité sélective est appelée osmose. L'osmose est un phénomène physique passif qui a

lieu seulement si les solutions sont séparées par une membrane semi-perméable. Seules les

molécules d'eau traversent la membrane de la solution hypotonique (la plus diluée) vers la

solution hypertonique (solution la plus concentrée) jusqu'à ce que les solutions soient

isotoniques (de même concentrations).

A priori, l'eau n'étant pas soluble dans les lipides, il est pratiquement impossible qu'elle puisse

traverser directement la couche phospholipidique de la membrane cytoplasmique.

Le libre passage de l'eau se fait par l'intermédiaire de protéines intégrées qui traversent

complètement la double couche lipidique : on parle de "pores membranaires". Ces protéines

ou pores ressemblent à de petits canaux dont la forme évoque celle d'un tunnel placé

verticalement à travers la membrane cytoplasmique et, par conséquent, de façon à ce que

l'orifice central permette à l'eau et, à l'occasion, à certaines petites molécules dissoutes dans

l'eau de diffuser librement de part et d'autre de la membrane cytoplasmique.

I.2. Diffusion facilitée : La diffusion facilitée est le passage transmembranaire de molécules

dans le sens du gradient de concentration, sans dépense d’énergie, grâce à des transporteurs

membranaires spécifiques.

а. Transfert avec la participation des canaux ioniques. Le transfert transmembranaire des

ions (Са2 +

, Na +, K

+, C1

−) se passe à travers les canaux ioniques (structures protéiques

pénétrant la membrane). Ils forment le canal transmembranaire hydrophile (rempli d'eau). La

sélectivité des canaux vers les ions est définie par la présence dans les protéines du canal du

centre du liage de l'ion. Les canaux peuvent être fermés ou ouverts (mécanique, chimique et

électrique). L`hormone peut être le signal pour le changement de l'état du canal (figure 26).

22

Figure 26 : canaux ioniques

b. Transfert à l'aide des protéines-transporteurs transmembranaires (les translocases ou

les perméases). Pour chaque substance ou un groupe des substances il y a un transporteur. La

substance transportée se joint au translocase, finalement la protéine subit des changements de

conformation (figure 27) qui lui permettent d’envelopper la substance transportée, puis de

relâcher la substance de l’autre côté de la membrane en l’isolant de l’effet des régions non

polaires de la membrane. Dans le canal il n`y a pas de l'obstacle hydrophobe. L'exemple de

cette diffusion est la diffusion facilitée (l`uniport) du glucose aux erythrocytes.

Figure 27 : Changements de conformation des perméases (translocases).

Les perméases sont des protéines de transport qui transportent les molécules chargées ou

polaires : monosaccharides, a.a., vit. Les perméases changent de conformation, elles sont

spécifiques aux molécules transportées, elles sont très sélectives, elles sont saturables, ils ne

peuvent assurer le passage que d’un nombre donné de molécules par seconde et peuvent être

inhibées. Elles transportent les molécules dans un sens ou dans l’autre en fonction du gradient

de concentration.

Selon le nombre et le sens de la substance à transporter et également le mode de

fonctionnement de la perméase on distingue :

- Le mode uniport : Transporte une seule substance de part et d’autre de la membrane (dans

une seule direction).

- Le mode symport (sym = même) : C’est un mode qui fait passer deux substances de nature

différentes dans le même sens selon leurs gradients de concentration.

- Le mode antiport (anti = opposé). Il s’agit ici, de faire traverser deux substances de nature

différentes à travers la membrane dans deux sens différents (figure 28).

23

Figure 28 : Transport de deux substances : symport et antiport

c. Transfert à l'aide des aquaporines : se sont des protéines de transport, spécifiques à l’eau

(figure 27) qui diffuse suivant son [gradient].

Fgure 27 : Transport de l’eau

Le schéma 28 résume le transport passif

Figure 28 : Transport passif

24

II. Mécanisme actif (transport actif) : Primaire (pompes), secondaire (cotransport),

endocytose et exocytose.

Les substances passent contre le gradient de concentration avec la dépense d'énergie. Ainsi se

passe un transfert de plusieurs ions minéraux du liquide intercellulaire à la cellule ou à

l'inverse, comme exemple le transfert des acides aminées de la lumière de l'intestin aux

cellules de l'intestin. Normalement, si une substance traverse la membrane plasmique par un

mécanisme actif, c’est parce qu’aucun des processus de diffusion passive ne lui permet de

passer dans la direction voulue. Il se peut que les molécules :

- soient trop grosses pour passer dans les pores ;

- ne puissent pas se dissoudre dans la bicouche lipidique ;

- leur déplacement doit se faire contre un gradient de concentration.

On parle alors de pompes moléculaires (pompes à solutés, transporteurs protéiques

qui ressemblent à des enzymes). Un modèle de pompe moléculaire dont le fonctionnement

est bien connu est la pompe sodium/potassium.

a) par des complexes macromoléculaire, Secondaire (cotransport) Ce transport sélectif nécessite la présence de macromolécules ou de complexes

macromoléculaires spécifiques insérés dans la membrane cytoplasmique et de l’énergie pour

fonctionner. Le plus souvent cette énergie est fournie par un couplage avec une réaction

d'hydrolyse de l’ATP.

b) par la pompe Sodium –Potassium, Primaire (pompes) : est une ATPase membranaire

présente dans toutes les cellules animales. Son activité aboutit à une distribution inégale des

concentrations des ions Na+ et K+ à travers la membrane plasmique, créant ainsi un gradient

électrochimique.

Pour chaque molécule d'ATP hydrolysée, l'ATPase rejette 3 Na+ et fait entrer 2 K+. Il s'agit

d'un transport actif, car il se fait dans le sens contraire du gradient de concentration.

Chaque ATPase Na-K hydrolyse 100 molécules d'ATP par seconde. 1/3 de l'énergie

cellulaire est utilisé par l'ATPase Na-K dans les cellules en général. 70% de l'énergie

cellulaire est utilisé par l'ATPase Na-K dans les cellules excitables (neurones, cellules

sécrétrices).

L`ATPase sodium-potassique réalise l'antiport. Elle transfère dans la cellule les ions du

potassium de la cellule et les ions du sodium. L`ATPase adjoint du côté intérieur de la

membrane trois ions Na +(figure 29).

Le travail Na +, K

+-ATPase crée la différence des charges. Sur le côté extérieur de la

membrane, la charge est positive, sur le côté intérieur.

25

Figure 29 : la pompe Sodium –Potassium

c) par endocytose : Des particules ou molécules peuvent aussi pénétrer dans la cellule par

endocytose. Dans ce processus les éléments qui sont entrés se trouvent "capturés" dans une

vésicule qui provient d'un repliement de la membrane cytoplasmique autour de ceux - ci.

Cette vésicule va ensuite se retrouver du coté intracellulaire.

Dans le cas d'absorption de bactéries ou de très grandes particules on emploie le terme de

phagocytose (figure 30).

Lors de la phagocytose (grec phagein, manger), des portions de la membrane plasmique et du

cytoplasme s’étendent pour entourer un objet relativement gros ou solide, tel un amas de

bactéries ou de débris cellulaires, des polluants ou encore des allergènes, et l’englobent. Les

protéines de la membrane plasmique reconnaissent ces particules ou bactéries qui deviennent

ainsi fixés en surface par des liaisons labiles.

Figure 30 : Phagocytose

L’endocytose par récepteurs : Hautement spécifique et très sélective. Les récepteurs sont

des protéines de la membrane plasmique qui ne se lient qu’à certaines substances. Les

récepteurs et les substances qui y sont fixées entrent ensemble dans la cellule à l’intérieur

d’une petite vésicule appelée vésicule tapissée ou vésicule à manteau (figure 31).

26

Elle permet notamment l’absorption au niveau des reins de diverses substances telles que

l’insuline, des lipoprotéines de basse densité (comme le cholestérol lié à un transporteur

protéique), du fer ou encore de petite protéines. Lorsque la vésicule tapissée se combine avec

un lysosome, l’hormone (ou une autre substance) est libérée ; les membranes portant les

récepteurs liés se séparent des vésicules et regagnent la membrane plasmique, où elles sont

réutilisables à nouveau.

Figure 31 : Endocytose par récepteurs

d) par exocytose : l’exocytose est un mécanisme qui assure le passage de certaines

substances de l’intérieur de la cellule vers l’espace extracellulaire. Lors de l’exocytose (figure

32), la substance ou le produit cellulaire devant être libéré est d’abord enfermé dans un sac

membraneux appelé vésicule (qui provient le plus souvent de l‘appareil de golgi). La vésicule

migre en direction de la membrane plasmique, elle fusionne avec elle et déverse son contenu à

l’extérieur de la cellule. Les protéines membranaires des vésicules reconnaissent certaines

protéines présentes sur la membrane plasmique et se lient avec elles, ce qui rapproche assez

les deux membranes pour leur permettre de fusionner. Les matériaux qui s’ajoutent à la

membrane lors de l’exocytose sont retirés pendant l’endocytose, qui est le processus inverse.

Figure 32 : exocytose

27

VI. Application des biomembranes

I. Application des biomembranes à la Santé

1. L’utilisation de liposomes comme vecteurs pour le transport de principes actifs

vers une cible de l’organisme.

Les liposomes sont des colloïdes sphériques constitués d’une ou plusieurs bicouches

lipidiques formées par auto-assemblage de lipides et délimitant un intérieur aqueux. Les

vésicules liposomiques sont utilisé comme réservoir de principes actifs pour l’encapsulation

de composes hydrophobes. Les éléments internalisés peuvent ainsi être transportés par les

liposomes dans la circulation sanguine d’un organisme vivant pour atteindre une cible

déterminée, reconnue par les vecteurs. Ces impératifs de transport in vivo et de sélectivité

pour une cible ont nécessité un certain nombre de choix pour mettre au point une (des)

formulation(s) adaptée(s) a l’utilisation des liposomes pour le transport de principes

actifs. La sélectivité pour une cible de l’organisme est obtenue par association de ligands aux

vésicules, ce qui passe par le choix d’un d’élément d’adressage et d’une méthode

d’association de ce ligand aux liposomes.

Les méthodes de synthèse des liposomes consistent à hydrater les lipides avec une solution

aqueuse pour former des systèmes membranaires et à calibrer leur morphologie grâce à des

traitements physiques ou mécaniques. Il en résulte des vésicules constituées de membranes

délimitant un intérieur d’un extérieur aqueux et donc une compartimentation du milieu utilise

pour la réhydratation. Un composé d’intérêt présent dans la solution aqueuse peut donc

être inséré de façon simple, lors de la synthèse, a l’intérieur des liposomes. Cette propriété

d’encapsulation a conduit à l’utilisation des liposomes comme système de transport de

composés thérapeutiques ou pour l’imagerie.

Encapsulation de composés à l’intérieur des liposomes

Divers types de composés thérapeutiques peuvent être associés aux liposomes et ceci de

manière différente selon qu’ils sont hydrophiles, hydrophobes, susceptibles d’être liés

de manière covalente ou électrostatique à la membrane ou encore que ce soit des bases

faibles. Les composés hydrophiles peuvent être encapsulés de façon passive lors de la

synthèse dans l’intérieur aqueux de la vésicule. Il suffit d’ajouter le composé d’intérêt à la

solution aqueuse avec laquelle les lipides sont réhydratés. Comme les liposomes vont

compartimenter le milieu, la concentration du composé dans l’intérieur aqueux est celle

de la solution. L’élément à encapsuler peut aussi être ajouté aux vésicules avant traitement

mécanique. Les ruptures et reformations de membranes conduisent alors à

l’homogénéisation du milieu interne avec le milieu externe. Une fois que les liposomes ont

la morphologie souhaitée, les vésicules chargées sont séparées des composés non encapsulés,

par filtration sur gel, dialyse, ou filtration sur colonne échangeuse d’ion… La fraction de

composés encapsulés est celle contenue dans le volume interne des vésicules. Il existe un

cas particulier d’utilisation de l’espace interne du liposome qui fait appel a une méthode

de synthèse singulière. Il s’agit de l’encapsulation de particules d’oxyde de fer pour obtenir

des liposomes magnétiques donnant un signal en IRM.

Les liposomes peuvent être adresses vers des cibles biologiques ciblage de zones

inflammées.

II. Application des biomembranes dans l’industrie et technologies

Bioréacteurs à membranes et traitement des eaux usées

28

Le bioréacteur à membranes est l’association d’un réacteur biologique et d’une séparation

physique par des membranes poreuses. En traitement des eaux usées, ce procédé

multifonctionnel offre des résultats intéressants, en terme de qualité et de fiabilité du

traitement, mais sa mise en œuvre requiert la connaissance de quelques outils pour la maîtrise

des processus physiques et biologiques spécifiques. Le bioréacteur à membranes est

aujourd’hui une réalité industrielle : plus de 300 installations en Europe.

La conception d'une nouvelle génération de matériaux

La conception d'une nouvelle génération de matériaux à base de composants biomembrane est

prometteuse dans divers domaines, y compris:

- Les médias d'enregistrement optique

- Les capteurs chimiques,

- Les nanomètre licographie,

- transducteurs d'énergie,

- enzymes catalyseurs.

Une variété de protéines de la membrane, y compris la bactériorhodopsine, rhodopsine, et le

récepteur de l'acétylcholine, présentent des propriétés actives telles que la transduction de

l'énergie active et le transport passif, la détection chimique, la chaîne de tension de

déclenchement, transduction du signal et d'auto-assemblage, ce qui pourrait trouver des

applications importantes dans ces matériaux.

Cependant, les progrès futurs dépendra de la mise au point de nouvelles méthodes pour

l'ingénierie de ces biomolécules aux propriétés, y compris une meilleure stabilité et la capacité

d'exister dans un environnement à l'état solide de sorte qu'ils sont appropriés pour une

utilisation dans des dispositifs biomoléculaires.

Les chercheurs ont développé de nouvelles méthodes basées sur la génétique moléculaire et

des techniques biophysiques avancées qui fourniront la capacité de modifier les protéines

membranaires au niveau moléculaire.

Parmi ces techniques sera le remplacement de l'acide aminé non-native dirigée (snaar). Cette

approche fournit une nouvelle dimension dans l'ingénierie des protéines, ce qui permet le

remplacement des résidus d'acides aminés natifs contenant des résidus conçus sur mesure.

Les études actuelles visent à intégrer les résidus non indigènes photoactifs qui modifieront les

propriétés électro-optiques de bactériorhodopsine.

À cet égard, des études récentes ont démontré que les films produits à partir de

bactériorhodopsine peuvent être utilisés pour le traitement de l'information optique.

Il a été démontré récemment que les membranes biologiques auto-assemblées peuvent être

utilisés en tant que modèles moléculaires pour le matériau nanostructuré fabrication.

Dans une série d'expériences à l'Université du Colorado, les membranes ont été utiliseés en

tant que modèles pour produire des films métalliques minces avec des trous et des fils

nanométriques.