LA MEMBRANE PLASMIQUE

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1 Après Cryofracture

2 LA MEMBRANE PLASMIQUE ROLES - interaction avec matrice extracellulaire et MP des cellules voisines - permettre transduction de signaux - assurer la compartimentation métabolique et chimique COMPOSITION BIOCHIMIQUE MP = bicouche phospholipidique + protéines + glucides Lipides - Assurent la structure membranaire - Majoritairement des PL - Barrière au passage des molécules hydrosolubles - Cholestérol :caractéristiques des cellules animales (MP) Protéines - Assurent les fonctions des membranes : transporteurs, récepteur, enzyme.. spé du type cellulaire

3 PROPRIÉTÉS DES MEMBRANES 1. ASYMÉTRIE liée aux lipides - PS + PE face cytoplasmique - Sphingomyéline + PC face externe - Glycolipides face externe liée aux protéines - Reflet des 2 milieux qu elle sépare : composition variable, domaines spécifiques (radeaux, jonctions..), interaction avec cytosquelette, pont S-S uniquement dans MEC 2. STRUCTURE FLUIDE ET DYNAMIQUE (mosaïque fluide de Singer et Nicholson 1971) Dynamique : diffusion latérales : lipides et protéines rotation sur place : lipides et protéines flip flop : lipides Fluidité de la membrane : - Nature des PL : degré de saturation des chaînes d AG - La quantité de cholestérol :son noyau stérol rigidifie la MP - La température : son augmentation accélère les mouvements

4 Organisation spontanée de la bicouche lipidique Organisation micellaire

5 Principaux lipides membranaires Lipides Phospholipides Cholestérol Phosphoglycérides +++ Sphingomyéline ++ Glycosyl-phosphatidyl-inositol (ancrage des glycoprotéines) Mouvements des molécules lipidiques

6 Phosphoglycérides et sphingomyéline

7 ASYMETRIE MEMBRANAIRE

8 Les Glucides - Peu abondants : 5-10% de la masse - Hydrophiles => toujours fixés : - aux Protéines Glycoprotéines - aux lipides Glycolipides - toujours situés sur le versant extracellulaire de la MP : cf. synthèse des GP - Rôles : multiples : adhérence, groupes sanguins (AB0),.

9 Les radeaux lipidiques cytosol cavéoline

10 Avant Trois classes de protéines membranaires INTEGRALES ANCREES PERIPHERIQUES E X T R A GPI I N T R A Transmembranaires Epingle Cavéoline Gpmt Hydrophobe Prot G Protéines intrinsèques = intégrales + ancrées Protéines extrinsèques = périphériques

11 Structures II aires Hélice hydrophobe : 1-20 à 30 AA hydrophobes 2 - Liaisons peptidiques hydrophiles INTERNES

12 Aujourd hui Six modes de fixation des protéines périphériques

13 Les mouvements au travers de la membrane plasmique Molécules hydrophobes Passent Petites molécules polaires non chargées Passent peu grandes molécules polaires non chargées (> 150 Da) Passent encore moins Ne passent pas

14 Les différents modes de transport à travers la membrane plasmique - Contre un gradient de concentration ou gradient électrochimique : «Transport actif»: nécessite de l énergie E (Pompes) Energie : lumière, ATP, réactions d oxydo-réduction, transport couplé - Selon un gradient de concentration ou gradient électrochimique : «Transport passif»: ne nécessite pas d énergie (Transporteurs, canaux)

15 TRANSPORTS MEMBRANAIRES Deux critères d évaluation : - La Consommation d énergie T. actif ou passif - La présence ou non d une perméase (transporteur) 1. TRANSPORTS PASSIFS : toujours dans le sens du gradient de concentration sans perméase : Diffusion simple ex: O2, CO2, urée.. avec perméase diffusion facilitée ex : glucose (GLUT4), H2O (par aquaporine) canaux ioniques : ions (+ molécules H2O) selon gradient électrochimique - canaux ioniques potentiels dépendants : sous contrôle pot.mb.(canauxna+, K+..), - canaux ioniques ligands-dépendants : ouverture après fixation d un ligand ex : neurotransmetteur( face extracellulaire), Ca2+, ATP (face cytosolique) - canaux K+ à rectification interne

16 2: TRANSPORTS ACTIFS : Contre le gradient de concentration Couplé à un mécanisme produisant de l énergie - 2 groupes selon source d énergie utilisée : consommation ATP : perméase = ATPase (pompe), ex : pompe Na+/K+, protéines MDR (multi drug resistance) couplage à un transport passif : co-transport - symport : Na+/glucose - antiport : Na+/H+ 3 : TRANSPORT DES IONS RESPONSABLE DU POTENTIEL DE MEMBRANE (DE REPOS) - Transport des ions responsable gradient de concentration : ions cytosol MEC K mm 4 mm Na mm 145 mm Cl mm 110 mm Ca mm 1-2 mm Gradient ionique + pompe Na + /K + transport ioniques et de charges électriques potentiel de membrane (cytosol - / MEC)

17 Les différents modes de transport à travers la MP gradient 1-Pompe 3-Canal 2- Transporteur ATP ADP Vitesse (ions/s) 100 < Gradient Contre dans le sens* dans le sens Energie Oui Non/oui* Non *peut véhiculer un autre soluté contre le gradient Mod. Conform. Oui Oui Non

18 DDP au niveau de MP Indispensable à sa survie Cytosol Milieu extracellulaire K Na Cl Ca ++ + (10-7/-4 M) ++ Mg bicouche lipidique + MEC cytosol DDP Conséquences: -La cellule doit maintenir cette différence de potentiel pour vivre (ex: rôle de la pompe Na+/K+ ATPase) -Dépolarisation de la membrane potentiels électriques (canaux) - Dans les cellules animales, Na + souvent utilisé dans les syt. de cotransport (fournit l «énergie» pour la seconde molécule transportée) (extracellulaire intracellulaire)

19 ions 1- Les Pompes Energie: Lumière : bactéries, archéobactéries+++ pompes H+ ATP : 3 classes de pompes fonctionnant avec l ATP - ATPases de type F (et V) : F 0 F 1 -ATPases et V 0 V 1 -ATPases protons - ATPases de type P: ATPases E 1 E 2 cations (Na +, K + ; H +, Ca ++ ) - Transporteurs ABC petites molécules Pompe de type P ou V, transporteur ABC = ATP ase Pompe de type F = ATP synthase

20 1- Les Pompes Energie : Lumière : bactéries, archéobactéries+++ pompes à protons Retinal (chromophore) lié à la bactériorhodopsine (protéine) photons Changement conformationnel du rétinal Changement conformationnel de la bacteriorhodopsine Transport de H + (gradient) (in out) Energie du gradient de H + ATP (ATP synthétase)

21 1- Les Pompes (ATP) ATPases de type F: F 0 -F 1 ATPases Utilisation du gradient H+ pour synthétiser de l ATP appelées également ATP synthases Localisation : MP des bactéries, membrane interne des mitochondries, chloroplastes Energie : oxydo-réduction (ou respiration oxydative) (mitochondries), photosynth. (chloroplastes) Fonction : Energie Gradient de protons Synthèse d ATP ATPases de type V : V 0 -V 1 ATPases Pas de synthèse d ATP Interviennent dans l acidification des endosomes, lysosomes Localisation : - Compartiments acides des cellules eucaryotes : lysosomes, endosomes, vésicules à revêtement de clathrine, vésicules sécrétoires (v. synaptiques) - MP des cellules spécialisées dans la sécrétion de H+ (ostéoclastes, macrophages ) Energie : ATP ADP + Pi Fonction : Acidification : transport de H+ dans le compartiment ou à l extérieur Gradient de H+: source d énergie pour d autres transports

22 Pour re-situer: La chaîne respiratoire de la mitochondrie ou respiration oxydative Oxydoréduction O2 ATP CO2 (+ H2O) Acides aminés, sucres simples Substrats venant du cytosol Fatty acid: acides gras

23 1- Les Pompes (ATP) ATPase V1 V1 A B AT P H+ A cytoplasme D E DP +P V0 V ph1 C V0 = H+ V1 = ATPase H+ Lumière vacuolaire ou M.E.C.

24 1- Les Pompes (ATP) ATP synthétase F1 F1 couplage H+ d b b g e ATP ADP +P Matrice mitochondriale F0 a C F 0 = transport (H+) F 1 = synthèse de l ATP H+ Espace intermb

25 1- Les Pompes (ATP) ATPases de type P (ATPases E 1 E 2 ) : cations (Na +, K + ; H +, Ca ++ ) - P : car se phosphorylent pendant le «pompage»(sur ac. aspartique) - Hydrolysent l ATP (= énergie) - Protéines trans-membranaires reliées structurellement (sous unités a et parfois b) - Rôle essentiel dans la mise en place et le maintien des gradients ioniques (Na+, K+, H+ et Ca++) à travers la MP La pompe Na + /K + = (Na + K + ATPase) dans toutes les cellules animales Maintien le gradient de conc Na+/K+ de part et d autre de la MP Ca ++ ATPase : Maintien du gradient de Ca++ - de part et d autre de la membrane plasmique - dans le réticulum endoplasmique du muscle squelettique (réserve de Ca++)

26 La pompe Na + /K + (Na + K + ATPase) Cytosol (intracellulaire) Milieu extracellulaire + K Na Cl Ca ++ + (10-7/-4 M) variations locales ++ Mg ATPase Na + / K + 3Na+ 2K+ Energie ++ (ATP) - Contre le gradient: nécessite de l énergie +++ ATP 25% de l énergie utilisée par une cellule animale! - Entrée de Na+ dans la cellule = Force permettant de transporter d autres éléments (ex: glucose, ions H+)

27 1- Les Pompes (ATP) Transporteurs ABC: - Plus grande famille de transporteurs couplés à l ATP - ABC = ATP Binding Cassette (ABC = domaine ATPase) -Transport d ions et de petites molécules (AA, mono et poly-saccharides, peptides et protéines) - localisés dans la membrane plasmique, le réticulum endoplasmique Exemples de transporteurs ABC: - Protéine MDR: Multidrug resistance ( dans les cellules tumorales) Exportent les drogues vers le milieu extra cellulaire CFTR: contrôle [Cl - ] dans les fluides extracellulaires Mutations mucoviscidose résistance aux drogues (poumon++)

28 2- Les Transporteurs - Fonctionnent dans le sens du gradient de conc ou électrochimique («Facilitateurs») - Précurseur commun ( segments hydrophobes) : 12 ou 6 hélicestm(dimère ds mitoch), les 2 extrémités N et C ter du côté cytosolique - Réversibles : Modifications conformationelles réversibles Fonctionnent dans les deux sens, en fonction du gradient de concentration Transporteur à 12 hélices Transporteur à 6 hélices Modèles hypothétiques du mécanisme de transport par réorientation des hélices transmembranaires glucose Ouverture du pore vers l ext C C N Extrémités N et C terminales cytosoliques N Liaison du glucose dans le pore Modification Conformationnelle réversible Ouverture du pore vers l intérieur

29 2- Les Transporteurs Trasnport selon le gradient de concentration: Diffusion simple / Diffusion facilitée (transporteurs) Diffusion facilitée: Transporteurs Saturation du transporteur Diffusion simple

30 2- Les Transporteurs 3 de transport Transported molecule Diffusion facilitée Diffusion facilitée: Transporteurs Diffusion simple Saturation du transporteur - Une molécule est transportée dans le sens du gradient de concentration Energie - L autre molécule est transportée contre son gradient de concentration

31 2- Les Transporteurs Transport couplé : Rôle ATPase Na + /K + : Entretient le gradient de Na Gradient de Na+ énergie pour autres transports Exemples: - Symport Na + et sucres/acides aminés : Cellules intestinales, rénales +++: - Antiport : Echangeur Na + /H + maintien du ph cytosolique (entrée de Na+ / sortie -» expulsion» de H+)

32 2- Les Transporteurs Exemple du glucose dans l entérocyte Transport Glc Contre gradient Symport Glc/Na ++ (SGLT1) Concentration en glucose faible Sens du gradient Uniport Glc (idem GLUT1 du globule rouge) ATPase Na+/K+ Concentration en glucose forte Concentration en glucose faible

33 3- Les Canaux - Selon le gradient de concentration ou électrochimique - Passage d un grand nombre de molécules, très rapidement - Sélectivité variable - 3 fonctions: - Transport de l eau et des ions à travers les membranes - régulation du potentiel électrique Signalisation - Régulation du passage du Ca++ Contraction musculaire

34 3- Les Canaux Structure : la plupart des protéines canalaires traversent 2 ou plusieurs fois la bicouche lipidique. Parfois il s'agit d'une seule grande chaîne ploypeptidique. Mais dans de nombreux cas il existe plusieurs sous-unités; Modèle : canal K+ de Streptomyces lividans = 4 sous-unités identiques S5 S6 Structure du canal mécanosensible MscL de Mycobacterium tuberculosis P : contrôle la perméabilité Sous-unité Sous-unité ( canal voltage dépendant)

35 3- Les Canaux Milieu extracellulaire: A Partie apolaire de la bicouche lipidique: D Zone de contrôle de la perméabilité membranaire: E Extrémités N et C terminales: C

36 3- Les Canaux Gating = passage entre les états de conduction (O) et de non conduction (F) Transitions F O rapides, - parfois spontanées - ou contrôlées (signalisation: phosphorylation ) Gating

37 3- Les Canaux Voltage dépendant Liganddépendant (extrac) Liganddépendant (intrac) Mécanosensibles fermé ouvert Ligands: ATP, neurotransmetteurs (acétylcholine, sérotonine,gaba ) - Canaux sodiques et potassiques (potentiels d action) - Canaux calciques - Ligands: Ca++, GMPc CanauxMscL: s'ouvrent en réponse à un étirement de la membrane plasmatique

38 3- Les Canaux Canaux voltage-dépendants - Canaux calciques - Canaux sodiques et potassiques cellules excitables: neurones, cellules musculaires Courant électrique stimulant Potentiel membranaire (mv) fermé ouvert inactivé fermé stimulus - dépolarisation mb (potentiel d action) - libération Na+/cytoplasme - fermeture canaux Na+ et ouverture canaux K+ - libération K+/MEC

39 3- Les Canaux Les canaux potassiques à rectification interne - Canaux K+ non voltage dépendant - font passer le courant ionique dans un sens, en fonction du potentiel membranaire : - potentiel < seuil, passage K+ très rapide dans le M.I.C - potentiel > seuil, ouverture des canaux, passage lent K+ vers M.E.C

40 3- Les Canaux Canaux Na+ épithéliaux : transport Na+ (et H2O), selon gradient Pompe Na+/K+ rétablit le gradient apical Conc en Na+ forte Canal Na+ Canal Concentration en Na+ faible ATPase Na+/K+ ATPase Na+/K+ Baso-latéral Concentration Na+ forte

41 3- Les Canaux Syndrome de Liddle Mutation Allongement temps d'ouverture des canaux Na+ épithéliaux augmentation réabsorption Na+ et eau

42 3- Les Canaux Canaux régulés par des ligands intra cellulaires Canal cationique contr ô l é par les nucl é otides cycliques Région régulatrice P de la perméabilité du canal S1 S2 S3 S4 S5 S6 N Site de liaison du Complexe Ca - calmoduline C Segment transmembranaire du canal:b Domaine de liaison du nucl é otide cyclique Nucléotide cyclique qui ouvre le canal Passage de Na+ et Ca2+. dépolarisation membrane