3. BIOCHIMIE CELLULAIRE 3.2- MEMBRANES CELLULAIRES

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1 3. BIOCHIMIE CELLULAIRE 3.2- MEMBRANES CELLULAIRES 1. Les membranes, une structure fluide et dynamique Analyse chimique Structure de la membrane plasmique Une bicouche phospholipidique Des protéines membranaires Modèle de la mosaïque fluide La membrane plasmique, une barrière sélective Passage d eau, d ions et de petites molécules Transports passifs = ne nécessitant pas d énergie Transports actifs = nécessitant de l énergie Passage de macromolécules et particules Endocytose Exocytose La membrane plasmique, une structure cellulaire en relation Relation entre cytosquelette et membranes adjacentes (jonctions intercellulaires) Jonctions serrées (zonula occludens) Ceintures d adhérence (zonula adherens) Desmosomes (macula adherens) Jonctions communicantes de type nexus (jonction Gap) Relation avec la matrice extracellulaire (MEC) (jonctions cellule/mec) Plaques d adhérence Hémidesmosomes Comparaison des différentes jonctions Les endomembranes et la compartimentation cellulaire Les membranes, une structure fluide et dynamique On insistera sur les notions de fluidité et d asymétrie membranaire Analyse chimique Lipides 50 % phospholipides et cholestérol Protéines 45 % intrinsèques ou extrinsèques Glucides 5 % oligosides, constituants mineurs que l on trouve sur la face externe de la membrane (glycoprotéines + glycolipides : glycocalyx, manteau cellulaire, cell coat)) 1.2. Structure de la membrane plasmique Figure 1 : représentation schématique d une membrane plasmique Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 1

2 Une bicouche phospholipidique Une cellule est un volume de cytoplasme délimité par une membrane plasmique. Cette organisation ressemble à celle des liposomes. L épaisseur est de l ordre de quelques nanomètres (nm = 10-9 m). Le feuillet interne des hématies humaines est essentiellement constitué de phosphatidyléthanolamine (PE), de phosphatidylsérine (PS), et de phosphatidylinositol (PI). Le feuillet externe est constitué essentiellement de phosphatidylcholine (PC), de sphingomyéline et de glycolipides Des protéines membranaires a. Protéines extrinsèques ou périphériques Elles sont liées à la membrane par des liaisons faibles. Elles ne possèdent pas de segments protéiques hydrophobes. Elles apparaissent sur l une des 2 faces du double feuillet et ne possèdent aucun groupement dans la zone hydrophobe. Certaines peuvent être ancrées par une ancre glycolipidique. b. Protéines intrinsèques ou internes Les protéines membranaires intrinsèques sont des protéines intégrées dans la membrane par un ou plusieurs segments protéiques hydrophobes. Ces protéines sont amphiphiles car elles possèdent une partie hydrophobe en contact avec les acides gras des phospholipides et une ou deux parties hydrophiles en contact avec le milieu extérieur ou avec le cytoplasme. Elles ne peuvent être dissociées de la membrane que par action d un détergent. Figure 2 : les différentes protéines membranaires Modèle de la mosaïque fluide En 1972, Singer et Nicholson ont proposé le modèle d organisation de la membrane plasmique non statique appelé modèle de «mosaïque fluide». En effet, les molécules peuvent tourner sur elles-mêmes (), sur une même couche latéralement (). Les mouvements d une couche à l autre sont rares sont appelés flip-flop () : chaque couche a donc une composition spécifique et constante en lipides et protéines. Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 2 Figure 3 : mouvements des phospholipides

3 2. La membrane plasmique, une barrière sélective Les molécules liposolubles et les gaz traversent facilement la membrane plasmique : on dit qu elle est perméable. Par contre, seulement certaines molécules hydrosolubles la traversent grâce à des transporteurs spécifiques de chacune d elles c est-à-dire que toutes les molécules ne peuvent pas la traverser : on dit qu elle est sélective Passage d eau, d ions et de petites molécules La membrane joue un rôle de barrière en empêchant : la fuite des composés intracytoplasmiques ; l entrée anarchique de composés extracellulaires. Elle assure les échanges en : absorbant les éléments utiles au métabolisme ; sécrétant d autres molécules éliminant les déchets. Elle régit donc l entrée et la sortie de métabolites par 2 types de mécanismes : des transports passifs et des transports actifs Transports passifs = ne nécessitant pas d énergie a. Phénomène d osmose L osmose correspond au transfert d eau du milieu le moins concentré (hypotonique) vers le milieu le plus concentré (hypertonique) jusqu à égalité des concentrations (isotonie) de part et d autre d une membrane semi-perméable. Une membrane semi-perméable est une membrane qui ne laisse passer que l eau. La pression osmotique représente la force exercée par une solution sur la membrane qui l entoure. La pression osmotique est fonction de la concentration en solutés. Plus la différence de concentration en solutés entre les 2 compartiments est grande, plus la pression osmotique est grande. Figure 4 : illustration du phénomène d osmose et d osmose inverse Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 3

4 b. Phénomène de diffusion La diffusion correspond au transfert de solutés du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré jusqu à égalité des concentrations de part et d autre d une membrane perméable. Une membrane perméable est une membrane biologique ou artificielle qui laisse passer l eau et les molécules diffusibles (molécules liposolubles, gaz O 2 CO 2, urée, glycérol, éthanol ) En général, les macromolécules (MM > g mol -1 ) comme les protéines et l amidon ne peuvent pas diffuser. Dans le cas des petites molécules hydrophobes ou hydrophiles non chargées (CO 2, O 2, N 2, urée), on parle de diffusion simple. Dans le cas de molécules de taille plus importante et hydrophiles, on parle de diffusion facilitée : - par une protéine canal : phénomène linéaire non saturable - par un transporteur (ou uniport) : phénomène saturable DIFFUSION SIMPLE (molécules hydrophobes ou hydrophiles de petite taille : éthanol, urée ) DIFFUSION FACILITÉE (molécules hydrophiles) Figure 5 : comparaison des phénomènes de diffusions simple et facilitée Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 4

5 Transports actifs = nécessitant de l énergie Le transport actif se fait contre un gradient de concentration. Il nécessite donc de l énergie : cette énergie est fournie par le métabolisme. Ce transport actif ressemble à la diffusion facilitée : nécessité de protéines de transport grande spécificité transporteur/molécule saturation du transporteur à des concentrations élevées en solutés (comportement michaëlien) a. Transport actif primaire : énergie issue de l hydrolyse de l ATP SCHÉMA SIMPLIFIÉ DE LA POMPE Na-K ATPase Figure 6 : exemple de transport actif primaire : la pompe sodium-potassium ATPase L énergie issue de l hydrolyse de l ATP permet de concentrer les ions K+ dans la cellule et de chasser les ions Na+ contre leur gradient électrochimique vers le milieu extérieur. Les molécules transportées vont en sens opposé : on dit que la protéine de transport est un antiport. b. Transport actif secondaire : énergie issue d un gradient électrochimique Figure 7 : exemple de transport actif secondaire : le transporteur SGLT (Sodium-Glucose Transporter) Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 5

6 SCHÉMA SIMPLIFIÉ DU TRANSPORTEUR SGLT L énergie issue du passage des ions Na + dans le sens de leur gradient électrochimique permet le passage du glucose contre son gradient. Les molécules transportées vont dans le même sens : on dit que la protéine de transport est un symport. Figure 8 : absorption du glucose au niveau des entérocytes (SGLT et GLUT) 2.2. Passage de macromolécules et particules Échanges de matière par flux de membrane : endocytose et exocytose Endocytose L endocytose désigne le processus par lequel les cellules «internalisent» diverses substances présentes dans le milieu environnant, en leur faisant franchir la membrane plasmique qui enveloppe ces cellules. Ces substances sont : - soit sous forme de particules solides : cas de la phagocytose (phago- : manger) - soit sous forme de gouttelettes de liquide : cas de la pinocytose (pino- : boire) et de l endocytose médiée par des récepteurs. L endocytose est un phénomène «actif», consommateur d énergie. Figure 9 : phénomènes d endocytose Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 6

7 Exocytose L exocytose désigne le processus dans lequel les vésicules de sécrétion sont apportées à la périphérie de la cellule où leur contenu est alors déchargé dans le milieu extracellulaire par fusion de leur membrane avec la membrane plasmique. Le but de l exocytose peut être : l élimination des déchets. les fonctions de signalisation et de régulation (fonctions nerveuses et endocrines). la production de macromolécules qui auront un rôle à l extérieur de la cellule (récepteurs membranaires, matériel de construction de paroi, molécules de la matrice extracellulaire, ) Dans les organismes multicellulaires, on distingue de types d exocytose : l exocytose constitutive, réalisée par toutes les cellules pour déverser des protéines membranaires ou extracellullaires, des molécules de la matrice extracellulaire. l exocytose déclenchée par l entrée de calcium dans la cellule : - Exemple 1 : au niveau de la terminaison synaptique, l arrivée d un train de potentiels d action déclenchent l ouverture de canaux calciques voltagedépendants. L entrée de Ca 2+ déclenche l exocytose des vésicules contenant les molécules de neurotransmetteurs. - Exemple 2 : au niveau des cellules b des ilôts de Langerhans du pancréas, l entrée du glucose et sa métabolisation entraîne une augmentation du taux d ATP qui va entraîner la fermeture de canaux K +. L arrêt de la sortie de K + entraîne une dépolarisation qui va entraîner l ouverture de canaux Ca 2+ voltage-dépendants. L entrée de calcium entraîne une exocytose des vésicules contenant des molécules d insuline. Figure 10 : sécrétion d insuline par la cellule ß pancréatique Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 7

8 3. La membrane plasmique, une structure cellulaire en relation 3.1. Relation entre cytosquelette et membranes adjacentes (jonctions intercellulaires) Dans les tissus animaux, les cellules voisines sont reliées entre elles par diverses structures qui assurent une cohérence de l ensemble du tissu. Ces structures qui mettent en jeu deux cellules ou plus sont regroupées sous le terme de jonctions intercellulaires. Elles peuvent être sous forme d un disque (macula : tache en latin), ou sous forme d une ceinture (zonula) Jonctions serrées (zonula occludens) Les zonula occludens (ou jonctions serrées, jonctions imperméables, jonctions étanches, tight-junctions) s établissent entre les cellules épithéliales où elles créent une barrière physiologique entre les milieux extérieur et intérieur de l organisme. Elle se trouvent dans la partie apicale des cellules épithéliales. Figure 11 : structure des jonctions serrées 1 : chaîne de protéines formant une jonction étanche 2 : membranes plasmiques de cellules adjacentes Ceintures d adhérence (zonula adherens) Les ceintures d adhérence sont des jonctions d ancrage qui réunissent entre elles des cellules épithéliales adjacentes dont elles font le tour. Ces jonctions sont constituées de molécules transmembranaires, les cadhérines. Elles sont reliées aux filaments d actine intracellulaires. Figure 12 : structure des ceintures d adhérence (jonctions d ancrage) Desmosomes (macula adherens) Les desmosomes sont des jonctions d ancrage entre 2 cellules reliées aux filaments intermédiaires du cytosquelette intra-cellulaire. Ils sont fréquents dans le tissu cardiaque et le tissu épithélial. La nature des filaments intermédiaires intervenants est variable (kératine dans les cellules épithéliales, vimentine dans les fibroblastes et les endodermes, neurofilament dans les cellules nerveuses ou encore lamine dans les noyaux). Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 8

9 Figure 13 : structure des jonctions d ancrage (desmosomes) Jonctions communicantes de type nexus (jonction Gap) Les jonctions communicantes, aussi appelées jonctions gap ou macula communicans ou nexus ou jonctions lacunaires ou encore jonctions perméables, sont des jonctions intercellulaires mettant en relation le cytoplasme de deux cellules voisines. Chez l Homme, les jonctions communicantes se situent principalement dans le système nerveux central (SNC), le cœur, le foie, la rétine, les vaisseaux sanguins et les muscles lisses. Ces jonctions peuvent être rassemblées en champs (ou plaques) jonctionnels (nexus) plus au moins étendus. Chaque canal est formé de deux connexons, un par membrane cellulaire. Un connexon est un hexamère de protéines transmembranaires appelées connexines ménageant entre elles un canal hydrophile de 2 nm de diamètre. Toutes les molécules solubles dans l eau inférieure à cette taille peuvent donc le traverser (< 1,5 kda). Quand les cellules sont en apoptose, elles font augmenter la concentration intracellulaire en ions calcium Ca 2+. Cette augmentation de calcium ferme les canaux, ce qui permet d isoler les cellules apoptotiques. Figure 14 : structure moléculaire des jonctions communicantes Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 9

10 Figure 15 : les différents types de jonctions cellulaires 1 : jonctions serrées ; 2 : ceinture d adhérence ; 3 : desmosomes ; 4 : jonctions communicantes Relation avec la matrice extracellulaire (MEC) (jonctions cellule/mec) La matrice extracellulaire, appelée aussi ciment intercellulaire, désigne l ensemble des macromolécules extracellulaires. Les tissus riches en matrice sont appelés «tissus conjonctifs». Cette matrice est composée de quatre familles de macromolécules, les collagènes et l élastine formant une trame de protéines fibreuses, dont les interstices sont remplis par les protéoglycanes (protéine condensée avec un glycosaminoglycane -GAG-) ; enfin, les glycoprotéines (fibronectine, laminine) assurent la cohésion entre cellules et matrice (interactions avec les intégrines, protéines transmembranaires). Les protéoglycanes peuvent être soit transportés à l extérieur de la cellule par exocytose (s intégrant alors à la matrice extracellulaire sous forme de chondroïtine-sulfate, kératane-sulfate, héparanesulfate, ) soit entrer dans la constitution de la membrane plasmique ou du glycocalyx, jouant alors un rôle dans les relations cellule-matrice. Figure 16 : structure chimique d une unité dans une chaîne de chondroïtine-sulfate R 1 = H ; R 2 = SO 3 H ; R 3 = H Figure 17 : les différents types de jonctions cellule/mec Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 10

11 Plaques d adhérence Les plaques d adhérence (ou contacts focaux) relient les molécules de la MEC et les filaments d actine du cytosquelette. Les récepteurs membranaires assurant les interactions cellule-mec au niveau des contacts focaux appartiennent à la famille des intégrines. Des jonctions de ce type s établissent de façon transitoire pour permettre la migration de cellules sur la MEC, notamment au cours des processus de réparation tissulaire Hémidesmosomes Les hémidesmosomes sont présents au niveau du pôle basal et forment des jonctions d ancrage avec la lame basale par interaction entre les intégrines des hémidesmosomes et les laminines de la lame basale. Comme les desmosomes, les hémidesmosomes présentent une plaque dense qui permet d ancrer les filaments intermédiaires de kératine. 1 : filaments intermédiaires 2 : desmosome 3 : hémidesmosome 4 : lame basale Figure 18 : jonctions d ancrage (desmosomes et hémidesmosomes) Comparaison des différentes jonctions Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 11

12 4. Les endomembranes et la compartimentation cellulaire Le système endomembranaire se compose des différentes membranes présentes dans le cytoplasme d une cellule eucaryote. Ces membranes divisent la cellule en compartiments fonctionnels et structurels appelés organites. Chez les eucaryotes, les organites du système endomembranaire comprennent : la double membrane nucléaire le réticulum endoplasmique l appareil de Golgi les lysosomes les vésicules, Le système endomembranaire forme une unité fonctionnelle unique par connexion directe ou par échange de matière grâce au transport vésiculaire. Le système endomembranaire n inclut donc pas les membranes des mitochondries et des peroxysomes. MOOC (Massive Open Online Courses) de Patricia Lemarchand, médecin et enseignant-chercheur, à la faculté de médecine de l Université de Nantes et au CHU de Nantes. Coproduction Université de Nantes/Inserm/Thinkovery MOOC : la membrane de la cellule Y6ruVXoG4 MOOC : le réticulum endoplasmique o486qmfsk MOOC : l appareil de Golgi M4WqjpOI MOOC Le cytosquelette et les filaments intermédiaires mffkgc5yw MOOC : les microtubules 4RjitYE MOOC : les filaments d actine 4ApgTHaU Cours biochimie BTS_ABM C. Larcher 3.2- Membranes cellulaires Page 12