Protéines membranaires, structures et fonctions. Céline Raguénès-Nicol. Sept 2007

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1 Protéines membranaires, structures et fonctions. Céline Raguénès-Nicol. Sept 2007

2 1. Les membranes biologiques 2. Les lipides des membranes Diversité Auto-assemblage Asymétrie et fluidité 3. Les protéines membranaires Classes structurales Quelques règles de structure et de prédiction Ancrage aux membranes Synthèse des protéines membranaires Grandes fonctions des protéines membranaires

3 Les membranes biologiques 40% du volume total pour un hépatocyte Isolées d un extrait cellulaire par ultracentrifugation Épaisseur 6-10 nm Polarité négative du feuillet intérieur Rôles Isoler des compartiments Réguler des transferts Assurer la communication

4 Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines Structure Fonctions

5 Les lipides des membranes Rôle surtout structural, mais aussi réserve d énergie, signalisation Acides gras Lipides complexes Glycérolipides Phospholipides Sphingolipides Stérols Glycolipides

6 Les acides gras palmitate oleate Chaîne aliphatique acide Nombre pair de carbones: C 14 ->C 24 Liaisons insaturées qui créent un coude dans la structure

7 Glycérolipides Phospholipides Phosphoglycérides O H 2 C O C (CH 2 ) 14 CH 3 palmitate H 3 C H 3 C N + H 3 C CH 2 CH 2 O O P O - O HC CH 2 O C O (CH 2 ) 7 C H C H (CH 2 ) 7 oleate CH 3 alcool phosphate glycérol acides gras phosphatidylcholine

8 Sphingolipides Céramide Sphingophospholipides sphingomyéline Sphingoglycolipides Cérébrosides, gangliosides

9 Diversité des phospholipides Différentes têtes polaires Différents acides gras Laurate Myristate Palmitate Stéarate Arachidate Behenate Lignocerate Palmitoleate Oleate Linoleate Linolenate Arachidonate Nombre de carbones Nombre de doubles liaisons

10 Stérols HO HO CH 3 CH 3 CH 3 H C CH3 CH 2 CH 2 CH 2 H 3 C C CH H 3 cholestérol cellules animales CH 3 H C CH CH CH CH3 CH 3 H 3 C C CH 3 H ergostérol cellules végétales

11 Autoassemblage des molécules amphiphiles en solution hydrophobe hydrophile Selon l encombrement respectif des 2 parties micelles ou bicouches

12 Membranes modèles Liposomes

13 Les membranes sont diverses et dynamiques Différentes compositions en lipides et protéines Phosphatidylethanolamine Phosphatidylserine Phosphatidylcholine Phosphatidylinositol Sphingomyéline Glycolipides Cholesterol Autres Membrane plasmique < Mitochondrie Réticulum endoplasmique proportion en %

14 Les membranes sont diverses et dynamiques Différentes compositions en lipides et protéines Asymétrie entre les feuillets membrane plasmique extérieur intérieur Phosphatidylserine Phosphatidylethanolamine Phosphatidylcholine Glycolipides

15 Les membranes sont diverses et dynamiques Différentes compositions en lipides et protéines Asymétrie entre les feuillets Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972) Coefficients de diffusion latérale: Lipides 1-2 µm 2 /s Protéines membranaires périphériques 1 µm 2 /s Protéines membranaires intrinsèques µm 2 /s Attachement au cytosquelette 10-4 µm 2 /s

16 Les membranes sont diverses et dynamiques Différentes compositions en lipides et protéines Asymétrie entre les feuillets Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972) Diffusion confinée (Kusumi 1993)

17 Les membranes sont diverses et dynamiques Différentes compositions en lipides et protéines Asymétrie entre les feuillets Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972) Diffusion confinée (Kusumi 1993) Sous-compartiments membranaires Ajout Ca 2+ Regroupement des PS

18 Les protéines membranaires 30 % des gènes exprimés 50 % des cibles pharmaceutiques 4 % des structures 3D résolues Difficultés de purification, de cristallisation, de reconstitution fonctionelle. Protéines intrinsèques Détergents ou solv. organiques

19 Les détergents Molécules amphiphiles solubles qui disloquent les membranes cmc Equilibre monomères / micelle Concentration micellaire critique [détergent] monomère [détergent] micelle Queue hydrophobe Tête hydrophile [détergent] total Aliphatique ou Squelette rigide Ionique ou Non ionique zwitterionique polaire

20 Principe d action des détergents

21 Les protéines membranaires 30 % des gènes exprimés 50 % des cibles pharmaceutiques 4 % des structures 3D résolues Difficultés de purification, de cristallisation, de reconstitution fonctionelle. Protéines intrinsèques Détergents ou solv. organiques Protéines extrinsèques Sels, ph

22 Exemple de protéine extrinsèque liée à une protéine intrinsèque La dystrophine est ancrée au sarcolème par les dystroglycanes DG : dystroglycanes SG : sarcoglycanes D, S : dystrobrévine, syntrophine

23 Les protéines solubles ou membraires ont des structures inversées myoglogine porine aa chargés aa hydrophobes

24 3 environnements dans une membrane

25 Quelques règles aa hydrophobes aa chargés aa aromatiques glycosylations Glycophorine A de l érythrocyte Tomita & Marchesi 1975

26 Prédiction des hélices α transmembranaires Echelle d hydrophobicité GES Profil d hydrophobicité de la glycophorine A Acide aminé Energie de transfert kcal/mol Phe F + 3,7 Met M + 3,4 Ile I + 3,1 Leu L + 2,8 Val V + 2,6 Cys C + 2,0 Trp W + 1,9 Ala A + 1,6 Thr T + 1,2 Gly G + 1,0 Ser S + 0,6 Pro P - 0,2 Tyr Y - 0,7 His H - 3,0 Gln Q - 4,1 Asn N - 4,8 Glu E - 8,2 Lys K - 8,8 Asp D - 9,2 Arg R - 12, LSTTEVAMHTTTSSSVSKSYISSQTNDTHK... Score 4,6-2,9

27 Prédiction des hélices α transmembranaires Récepteur β2 adrénergique : 7 TM Porine : 16 TM

28 Ancrage des protéines dans les membranes polytopiques monotopiques

29 Bactériorhodopsine Prototype de récepteur à 7 TM Chez Halobacterium salinarium convertit E lum en ATP Structure RX Pebay-Peroula 1997

30 Bactériorhodopsine Représentation en roue hélicoïdale : hélices amphiphiles

31 Porines bactériennes B. transmembrane β-barrel Porine de Rhodopseudomonas blastica (Kreusch 1994)

32 Picot 1994 Prostaglandine H2 synthase-1

33 Prostaglandine H2 synthase-1

34 Boucles hydrophobes Petits peptides secrétés qui déstructurent les membranes défensine Cardiotoxine A5 Hill 1991 Sun 1997

35 Liaison covalente à des lipides = Ancre GlycosylPhosphatidylInositol Groupement farnesyl ou géranylgéranyl

36 Annexines D1 D2 D4 D3

37 Insertion des protéines dans les membranes

38 Fonctions des protéines membranaires Par quelques exemples Signalisation : Récepteurs couplé aux protéines G Conversion d énergie : Centre réactionnel photosynthétique ATP synthase Transport : Transporteurs ABC Canal potassium Aquaporines

39 GPCR : Rhodopsine Protéine à 7 TM GPRC : 950 gènes chez homme, 30 % des cibles pharmaceutiques ROS dans les bâtonnets de la rétine Face intradiscale Palczewski 2000 Face cytosolique

40 Rhodopsine

41 Rhodopsine

42 Centre réactionnel photosynthétique de Rhodopseudomonas viridis 1 ère structure 3D de protéine mb Huber, Deisenhofer, Hartmut sous-unités cytochrome c, Chaines L et M (5TM), H (1TM) + gp prosthétiques

43 ATP synthase mitochondriale Structure du domaine F1 1996, du rotor 1999, du stator 2006 (gp Walker)

44 ATP synthase mitochondriale

45 ATP synthase mitochondriale

46 Les bicouches lipidiques sont imperméables aux molécules polaires gaz ions Grosses molécules non chargées Petites molécules non chargées Molécules hydrophobes Glucose, aa, nucl. Eau glycérol Les protéines membranaires sont indispensables pour le transport des éléments nécessaires à la cellule

47 Transport membranaire Transport passif : selon le gradient de concentration Porines bactériennes Transport actif : contre le gradient, hydrolyse d ATP Transporteurs ABC Canaux ioniques Transport facilité : accélération du transport dans le sens du gradient Aquaporines

48 Transporteurs ABC ATP Binding Cassette

49 Sav1866, MDR de S. aureus Dawson 2006 Mobdylate transporteur d Archaeglobus fulgidus Hollenstein 2007

50 Canal potassium Ksa K+ channel Gp MacKinnon 1998

51 Canal potassium : sélectivité

52 Canal potassium : régulation MthK Ca 2+ -dépendant gp MacKinnon 2002

53 aquaporine

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55 Jonctions «Radeaux» lipidiques

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