Structure et fonctions de la membrane cellulaire.

Structure et fonctions de la

membrane cellulaire

Structure et fonctions de la

membrane cellulaire

La membrane plasmique

Épaisseur de 7 à 8 nm

Il faudrait 10 000 épaisseurs de membrane pour arriver à l’épaisseur d’une feuille de papier

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Figure 10-1a 2008

Figure 10-1a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

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ME d'une membrane

• Frontière entre l’intérieur et l’extérieur de la celluleFrontière entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule

• Contrôle des entrées et des sorties de la cellule Contrôle des entrées et des sorties de la cellule (échanges cellulaires)(échanges cellulaires)

• Compartiments intérieurs de la cellules (organites Compartiments intérieurs de la cellules (organites membranaires)membranaires)

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Autres fonctions des membranes

• Transport des petites molécules

• Canaux ioniques

• Maintien des propriétés électriques

• Médiation chimique

• Adhésion cellulaire

• Translocation des protéines

• Trafic vésiculaire

Structure de la membraneStructure de la membrane

• Épaisseur : 7 à 8 nm

• Deux feuillets visibles au microscope électronique

1 nm (nanomètre) = 1/1000 de µm

Il faudrait superposer 10 000 épaisseurs de membrane pour obtenir l’épaisseur d’une feuille de papier.

a. Ernest Overton, de l'université de Zurich, a donné, dans les années 1890, une première idée de la nature chimique de l'assise cellulaire externe. Overton savait que les solutés non polaires se dissolvaient plus facilement dans les solvants non polaires que dans les polaires, et que la solubilité des produits polaires était inverse. Overton en déduisit qu'une substance provenant de l'environnement et pénétrent dans une cellule devait se dissoudre d'abord dans l'assise externe de cette cellule. Il en conclut que, comme solvant, la couche externe de la cellule se comportait comme une huile.

b. Gorter et Grendel (1925) - La membrane plasmique comporte une bicouche lipidique. Ces chercheurs avaient extrait les lipides d’érythrocytes humains et estimé la surface que devrait couvrir les lipides répandus a la surface de l'eau. Les érythrocytes des mammifères étant dépourvus de noyaux et d'organites cytoplasmiques, la seule structure où se trouvent des lipides est la membrane plasmique on peut donc supposer que tous les lipides extraits des cellules provenaient de leurs membranes plasmiques. Le rapport entre la surface de l'eau couverte pour les lipides extraits et la surface calculée pour les erythrocytes dont provenaient les lipides variait entre 1,8 et 2,2. Gorter et Grendel conclurent que le rapport réel était de 2:1 et que la membrane plasmique renfermait une couche bimoléculaire de lipides ou, plus simplement, une bicouche lipidique. Ils pensaient aussi que les groupements polaires de chaque couche moléculaire (ou feuillet) étaient dirigés vers l'extérieur de la bicouche (comme le montre la figure b).

c. Hugh Davson et James Danielli (1935) proposèrent que la membrane plasmique était composée d'une bicouche lipidique recouverte d'une couche de protéines globulaires sur ses faces interne et externe.Ils modifièrent leur modèle au début des années 1950 pour tenir compte de la perméabilité sélective des membranes qu'ils avaient étudiées. Dans la version modifiée de leur modèl, Davson et Danielli suggéraient qu'en plus des couches protéiques interne et externe, la bicouchc lipidique étaient en outre traversée par des pores tapisses de protéines, pouvant servir de canaux pour les solutés polaires et les ions entrant et sortant de la cellule.

a

bc

Modèle de la mosaïque fluideModèle de la mosaïque fluide

• Deux couches de phospholipides

• Protéines à la surface et à travers

• Polysaccharides attachés aux lipides ou aux protéines

• Cholestérol entre les phospholipides

Modèle de la mosaïque fluide

• Mosaïque: la composition de la membrane est très hétérogène

• Fluide: les molécules bougent: latéralement (~107 fois/seconde), rotation et flip-flop (~ 1 fois/mois)

http://coproweb.free.fr/pagphy/physioan/ch1s5.htm

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Structure générale

• Lipides– barrière imperméable aux molécules solubles

• Protéines : toutes les autres fonctions– transport– synthèse d'ATP– liaison avec le cytosquelette– récepteur– 30% des protéines codées par le génome

La structure

de la membrane

Lipides

40%

Proteines

52%

Glycolipides

8%

Proteines fibrilaire

Proteines globulaire

Proteines périphériques

Proteines intramembranaires

Phospholipides

Phosphoglycerides

Sphingolipides

Glycolipides

Cerebrosides

Gangliosides

Cholestérol

La membrane plasmique• Structure:• Bicouche de lipides

– A) phospholipide– B) cholestérol– C) glycolipide

• Protéines• Cholestérol

• Fonction:

• Passage sélectif de substances par transport membranaire

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B - Composition des membranes

• Phospholipides (50% des lipides en masse)

– Phosphatidyl choline (PC) (neutre)– Phosphatidyl éthanolamine (PE) (neutre)– Phosphatidyl sérine (PS) (négatif)– sphingomyéline (SM) (neutre)– (Phosphatidylinositol)

• Cholestérol

• Glycolipides

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A - Propriétés générales des lipides membranaires

• 50 % en masse de la membrane

• 5.106 molécules par micron2

• 109 molécules pour une petite cellule

• Toutes sont amphiphiles (=amphophiles, =amphiphatiques)– pôle hydrophile (qui aime l'eau) = polaire– pôle hydrophobe (qui fuit l'eau) = non polaire

Bicouche de lipides

phospholipides cholestérol glycolipide

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I - LES LIPIDES MEMBRANAIRES

• Les phospholipides– PC– PS– PE– Sphingomyéline– PI (phosphatidyl inositol)

• Le cholestérol• Les glycolipides

• Structure:• Région hydrophile• Tête polaire• Orientée vers le milieu

aqueux• Région hydrophobe• Queues non-polaires• Orientée vers l’intérieur

de la bicouche• Fonctions:• Fluidité de la membrane• Perméabilité sélective

phospholipides

phospholipide

Forme

Acide gras saturé Acide gras insaturé

Droit Croche

Cholestérol : rôle dans le maintien de la fluidité de la membrane

LIPIDESLIPIDES

• Phospholipides (deux couches)

• Cholestérol (15% à 50 % du total des lipides)

Les acides gras insaturés sont courbés (les saturés sont rectilignes).

Les acides gras insaturés sont courbés (les saturés sont rectilignes).

Acide oléique (insaturé) Acide palmitique (saturé)

double liaison

La fluidité de la membrane dépend aussi de sa teneur en acides gras insaturés.

insaturé

saturé

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Figure 10-2 2008

Figure 10-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

23

Fig 10-2

• Phospholipides– les plus abondants– une tête polaire– deux queues hydrocarbonées

hydrophobes (14 à 24 atomes de C)

– 1 ou 2 doubles liaisons sur une queue

Phosphatidylcholine

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Fig 10-2Groupe polaire

Queue non polaire

Phosphatidylcholine

25

Fig 10-2• Phosphatidylcholine (modèle

dans l'espace)

Phosphatidylcholine

26

Figure 10-3 2008


Charge nette négative Charge neutre Charge neutreCharge neutre

27

Autres phospholipides

• Inositol phospholipides– très peu abondants– très importants dans la médiation chimique

• beaucoup d'autres …

• Rôle– permettent l'action des protéines en solution

dans ces lipides (environnement ionique, certaines enzymes cytosoliques…)

Les acides gras insaturés augmentent la fluidité de la membrane.

Les acides gras insaturés augmentent la fluidité de la membrane.

Rôles des protéines de la membraneRôles des protéines de la membrane

• Transport• Transport

• Enzymes

• Récepteurs

• Adhérence entre les cellules

• Reconnaissance par le système immunitaire

• Enzymes

• Récepteurs

• Adhérence entre les cellules

• Reconnaissance par le système immunitaire

Propriétés des phospholipides

• Réparation: Si la membrane est percée, les molécules de phospholipides séparées peuvent se rapprocher et fermer l’ouverture.

• Modification: Des molécules de phospholipides peuvent s’ajouter ou s’enlever pour faire varier le volume de la cellule

• Division: Un resserrement au centre de la cellule entraîne une division. On peut aussi joindre des cellules

Propriétés des phospholipides

• Perméabilité sélective:• Perméable: Aux molécules liposolubles, aux très

petites molécules (O2 et CO2)• Imperméable: Aux grosses molécules, aux ions

(K+ , Na+, Cl -)

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Fig 10-6

ME de liposome non fixés non colorés dans de l'eau congelée rapidement dans l'azote liquide

100 nm

Schéma de liposome largement utilisé pour l'étude des membranes

25 nm

Schéma de liposome largement utilisé pour l'étude des membranes

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Figure 10-9a 2008


ME de liposome non fixés non colorés dans de l'eau congelée rapidement dans l'azote liquide

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Facteurs de la fluidité

• Composition en lipides et température– un seul phospholipide

liquide gel : point de fusion

– il y a en plus du cholestérol et des glycolipides

Propriétés d’une membrane de phospholipides :Propriétés d’une membrane de phospholipides :

Peut se réparer d’elle-mêmeSi la membrane est percée ou déchirée, les molécules de phospholipides qui s’étaient écartées les unes des autres peuvent à nouveau se rapprocher et fermer l’ouverture.

Peut varier facilement sa tailleSi on ajoute des molécules de phospholipides, celles-ci se joignent aux autres et la membrane s’agrandit. Inversement, elle peut réduire sa taille si on enlève des molécules.

Deux sphères peuvent fusionner pour en former une plus grande

Permet à une sphère de se diviserIl suffit de resserrer l’équateur d’une sphère pour obtenir deux sphères.

Glycolipide• Glyco pour glucide = sucre• Lipide = acide gras• Participe à la formation du glycocalyx• Le glycocalyx est situé sur la surface externe de la membrane• Fonctions:

– Donne une identité cellulaire– Permet adhérence cellulaire

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Les glycolipides

• Les plus asymétriques– sur la face extra cellulaire uniquement– surtout sur les "radeaux"

• Ont tendance à s'associer (par leurs chaînes longues et saturées)

• Addition de sucres dans la lumière du Golgi (topologiquement équivalent au milieu extra cellulaire)

• 5 % des lipides de la membrane

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Les gangliosides

• Les plus complexes des glycolipides

• contiennent acide sialique • charge négative

• plus de 40 types différents

• cellules nerveuses : 5 à 10 % de la masse lipidique totale

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Rôle des glycolipides

• Protection des épithéliums

• Charge électrique des gangliosides

• Processus de reconnaissance cellulaire (rôle des lectines = protéines de liaison aux sucres)

• Les souris mutantes déficientes en gangliosides complexes n'ont pas de grosses anomalies mais les mâles sont stériles

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Glycolipides = point d'entrée de certaines toxines bactériennes

• GM1 (cf suivante) = récepteur à la toxine cholérique

• Augmentation de l'AMPc intra cellulaire • sortie de Na et H2O dans l'intestin

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Figure 10-18 2008


• Glycolipides– NANA = N-acetyl

neuraminic acid(charge négative)

– dérivent très souvent de la sérine (comme la SM)

Cholestérol

• Situé entre les molécules de phospholipides de la bicouche

• Fonctions:• Diminuer la fluidité de la

membrane• Stabiliser la membrane• Augmenter la résistance à

la membrane.

Le cholestérol représente de 15 à 50% des lipides

43Figure 10-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

• Cholestérol• Jusqu'à une molécule par molécule de phospholipide• Augmente la barrière de perméabilité (diminution de la perméabilité aux

petites molécules hydrosolubles)• Immobilise les chaînes hydrocarbonées avoisinantes rend la membrane

moins fluide• Empêche la cristallisation inhibe les éventuels changements de phase

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Table 10-1 2008

Table 10-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

Composition approximative des lipides des membranes

Mosaïque fluide Mosaïque fluide Les molécules sont ordonnées, mais se déplacent sans arrêt les unes par rapport aux autres.

Un phospholipide change de position avec un autre plus d’un million de fois par seconde. Il ne bascule d’une couche à l’autre qu’environ une fois à chaque demi-heure.

Un phospholipide change de position avec un autre plus d’un million de fois par seconde. Il ne bascule d’une couche à l’autre qu’environ une fois à chaque demi-heure.

= cristal liquide= cristal liquide

47Figure 10-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

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Asymétrie des membranes (dans le GR)

• Si choline, (PC ou SM) feuillet externe

• Si amine primaire terminal (PE ou PS) feuillet interne

Membrane Surface externe Surface interne

Hématies humaines

Cholesterol Phosphatidyl sérine

Phosphatidyl choline Phosphatidyl sérine

sphingomyéline

Membrane interne de la mitochondrie

Phosphatidyl choline

Phosphatidyl sérineCardiolipine

Réticulum endoplasmique Phosphatidyl choline

sphingomyéline

Phosphatidyl sérine

La membrane des héematies

Glycosphingolipides Phosphatidyl choline

La distribution asymétrique des lipides membranaires

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Figure 10-16 2008


PC SM

PEPE PS

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Propriétés de la membrane plasmique

• Dynamique • Fluide (liaisons non covalentes)

• Asymétrique

• Mosaïque de protéines en solution dans des lipides

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Microdomaines lipidiques de la membrane plasmique

(VanMeer,G Science 2002, vol.296, p.855)

Glycérophospholipids insaturés (A)

Les sphingolipides et le cholestérol forment des moins fluides appelés radeaux lipidiques (B)

Sous-domaines encore plus rigides enrichis en ganglioside GM1 (sphingolipid) (C)

Microdomaine de composition lipidique inconnue enrichi en protéines porteuses d’un groupe lipidique prényl qui sert d’attache (D)

Feuillet interne (E)

La cavéoline et des protéines porteuses de deux chaînes acyl saturées se concentrent dans les cavéoles (F)

Protéines

• 3 types:• Glycoprotéines: • chaîne de glucose attachée sur une protéine• Périphériques: • placé d’un côté ou de l’autre de la bicouche• Intrinsèques: • traversent la bicouche de lipide

Proteines transmembranaire Proteines peripheriques

• Canal: permet le passage de certaines substances à travers la membrane

• Transporteur: transporte des molécules d’un côté à l’autre

• Récepteur: reconnaît des substances spécifiques et modifie l’activité de la cellule.

• Reconnaissance: donne identité cellulaire• Adhérence: donne à la cellule sa forme et sa

stabilité.

Fonctions des protéines

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Importance fonctionnelle de l'asymétrie des membranes

• 1 - Liaison spécifique de protéines cytosoliques eg : Protéine Kinase C (PKC) nécessite la charge négative de PS pour exercer son activité

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• 2 - Il peut y avoir modification de la tête du phospholipide eg : phosphatidylinositol (concentré sur le feuillet cytosolique) peut être phosphorylé par une lipide-kinase (comme phosphatidylinositol kinase [PI3K])

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• 1 - Protéine Kinase C (PKC) nécessite la charge négative de PS pour exercer son activité

• 2 - Phosphatidylinositol peut être phosphorylé par une lipide-kinase (phosphatidylinositol kinase PI3-kinase)

• 3 - Clivage du phospholipide (inositol phospholipide) membranaire par la phospholipase C (PLC) en générant 2 fragments

• 4 - Apoptose distinction entre cellule vivante et cellule morte

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Apoptose

• PS qui est normalement sur la face cytosolique se transloque sur la face extracellulaire

• PS devient un signal pour les cellules voisines (macrophages … )

• Se fait par deux mécanismes :– inactivation du translocateur habituel– transfert non spécifique des phospholipides dans les

deux directions par l'activation d'une "scramblase"

Perméabilité sélectivePerméabilité sélective

La double couche de lipides est perméable:

• Aux molécules très petites (H2O, CO2, O2)

• Aux molécules liposolubles (hydrophobes, non polaires)

La double couche de lipides est imperméable:

• Aux grosses molécules et à la plupart des molécules polaires

• Aux ions (K+, Cl-, Na+)

Des protéines permettent le passage de ce qui ne peut pas passer à travers les lipides

Des protéines permettent le passage de ce qui ne peut pas passer à travers les lipides

• Forment des canaux à travers la membrane (transport passif)

OU

• s’associent aux ions ou molécules à transporter et les déplacent dans la membrane (transport actif)

Le transport actif permet aux cellules de conserver un milieu intérieur différent du milieu extérieur

Près de 40% de l’énergie dépensée sert à faire du transport actif.

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Rajendran,L2005p1099

• J Cell Sci 2005 p 1099

Fonctions de la membrane plasmique

Passage sélectif de substances par transport membranaire

Transport passif Transport actif

Diffusion simple

ou passive

Diffusion facilitée

Osmose Pompe

Endocytose

Exocytose

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Figure 10-13 2008


67

Figure 10-14a 2008


68

News Physiol Sci 19: 39-43, 2004; doi:10.1152/nips.01505.2003

70

Figure 10-15 2008


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Fig 15-36 exemple de 10-15 (B) PIP2 DAG

Exemple de 3 : le phospholipide est PI(4,5)P2Les 2 fragments sont IP3 et DAG

Structure et fonctions de la membrane cellulaire.

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