COURS N 17 DE BIOLOGIE CELLULAIRE : ÉCHANGES TRANSMEMBRANAIRES 2

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1 COURS N 17 DE BIOLOGIE CELLULAIRE : ÉCHANGES TRANSMEMBRANAIRES 2 Ce cours est de loin le plus compliqué de tout le 1 er semestre point de vue prise de note. Essayez d avoir une attention maximale : d une année sur l autre, le Pr Rona présente différemment, et mieux vaut ne pas en manquer. ATTENTION : Des erreurs ont pu être oubliées dans ce cours! Ayez l esprit critique! (le formulaire est sur le site en cas de questions) I Index d hydropathie - Permet de qualifier l hydrophobie ou l hydrophilie d un acide aminé sur échelle allant de +4,5 à -4,5 o Valeur positive : aa hydrophobe o Valeur négative : aa hydrophile - Un milieu hydrophobe va chercher à se lier à un milieu hydrophobe (hélices alpha insérées dans la bicouche lipidique) - Un milieu hydrophile va chercher à se lier à un milieu hydrophile o Leucine : +4,5 o Isoleucine : +4,2 o Arginine : -4,5 o Acide aspartique : -3,5 - On peut ainsi réaliser des profils d hydropathie sur certaines protéines, notamment les canaux ioniques - Profil d hydropathie : reprendre acide aminé par acide aminé et regarder comment ils se répartissent par rapport aux zones hydrophobes et hydrophiles de l index d hydropathie - Ainsi sur un canal sodium (ouvert par dépolarisation, responsable du potentiel d action sodique) on observe o 6 pics d acides aminés hydrophobes = 6 hélices α insérées dans la bicouche et ce 4 fois de suite o Entre ces pics, on a 4 zones constituées d acides aminés hydrophiles c'est-à-dire dans le cytoplasme ou le milieu extérieur o En effet, côté cytoplasme il y a des acides aminés hydrophiles : partie interne du canal, extrémité du canal phosphorylable - Modèle du canal cationique (Na + ou Ca 2+ ) o 4 sous unités endomembranaires liées par (4 fois 6 pics) o 3 liaisons covalentes (pas de 4 ème : boucle du canal) o Le dernier paquet contient la boucle hydrophile : le canal o Ce canal fait 10Å de diamètre o Modulation du canal par des signaux cytoplasmiques (Ca 2+, IP3, GMP cyclique, AMP cyclique, DAG, cadpr) sur, la zone hydrophile cytoplasmique

2 - Canaux cationiques Na + et Ca 2+ o S ouvrent tous les deux sur une dépolarisation (hyperpolarisation pour K + ) o 4 paquets de 6 segments pour les deux o Voltage dépendants o Différences : zone C-terminale, zone hydrophile, modulation, affinité des ions, - Transport passif - µ : force osmotique + force électrique - Δµ = 0 transport passif (ou Δµ 0) - Δµ > 0 transport actif avec l ion qui rentre dans la cellule - Δµ < 0 transport actif avec sortie de l ion de la cellule - La différence de potentiel thermodynamique d un ion vaut ZF (Em Eion) - A l état stationnaire : équilibre entre les forces électriques et les forces osmotiques - Cela permet de calculer l équation de Nernst - Équation de Nernst formule PCEM1 - Évidemment, formules à savoir par cœur et surtout à maîtriser (faites les exos de TD) - E(Na + ) > 0 car [Na + ]int < [Na + ]ext - Rappel : les gradients du Na + et du K + sont inversés - Le Na + est toxique pour les cellules animales (peu de Na + dans le cytoplasme) Dans le cas du K +, on trouve E(K + ) = -84 mv avec [K + ]int = 140 et [K + ]ext = 5 - Formules à retenir de la suite - Em = Ri avec g = 1/R donc I = gem - P : coefficient de perméabilité ionique - PK + > PNa + > PCl - >>> PCa 2+ - Même ordre pour la conductance - Transport actif du K + et Na+ : Na/K ATPase o 1 ion Na + : J o 1 ion K + : 2500 J o Total : J car la Na/K ATPase transporte 2K + et 3 Na + dans le sens contraire de leur gradient de concentration

3 II Mesure des courants : Patch Clamp - Le patch clamp permet la mesure d un courant ionique grâce aux propriétés de la membrane plasmique : celle-ci est hydrophobe - Donc ses lipides se soudent au verre utilisé pour mesurer les courants par l intermédiaire de pipettes ayant une pointe de diamètre 1 µm pouvant piéger 1 ou 2 canaux - Quand un seul canal est piégé par la pipette on peut mesurer un courant unitaire - La pipette en verre tient lieu d électrode - Techniques de patch clamp - Cellule attachée : pipette soudée à un canal relié à la cellule : on mesure le courant du canal (problème : le courant peut s enfuir par d autres canaux) - Cellule entière : communication entre l intérieur de la cellule et l intérieur de la pipette : pipette «dans» la cellule et non plus autour d un canal. On peut ainsi tester l action de produits sur la cellule (problème : on ne peut pas savoir quels canaux fonctionnent) - Inside out : un seul canal excisé de la cellule dans la pointe de la pipette : on peut ainsi mesurer un courant unitaire le verre de la pipette est scellé contre la partie hydrophobe du canal - Outside out : configuration inversée de l inside out : on peut alors tester différents effecteurs cytosoliques (IP3, ) - Inactivation d un canal ionique o Côté cytoplasme sur certains canaux il existe une protéine allostérique appelée la «balle d inactivation» qui peut se replier et boucher le canal ce qui l inactive o Un canal comporte deux portes : une extérieure et une intérieure (cytoplasmique) Inactivation : porte extérieure ouverte et porte intérieure fermée Ouverture : les 2 portes sont ouvertes Fermeture : porte extérieure fermée, porte intérieure ouverte (ou fermée) o Sur le plan électrophysiologique Si le courant ne passe pas : le canal est fermé Il faut alors faire varier le potentiel sur le canal et imposer un voltage qui va provoquer une différence de potentiel (un saut de potentiel de +30 mv par exemple) Peu après le canal s ouvre sur cette dépolarisation et va s inactiver spontanément grâce à la balle d inactivation (le canal N EST PAS FERME!!!) Le canal ne se ferme que si l utilisateur remet 0mV à nouveau, dans ce cas précis le canal est dit «activable»: il est ouvert mais inactivé, il suffit donc d un saut de potentiel pour l ouvrir totalement

4 - Plus la dépolarisation est grande et plus l intensité du flux traversant le canal est importante o Cela s explique par le fait que le diamètre du canal dépend directement de la différence de potentiel appliquée au canal o NB : il y a un plateau de saturation (le diamètre n est pas extensible à l infini!) o On peut imposer des sauts de potentiel entre -40 mv et +100 mv o L intensité est elle de l ordre du na - Quand atteint-on le plateau de saturation? o Quand on ne peut plus imposer une différence de potentiel qui augmente encore plus le flux d ions, c'est-à-dire quand le canal ne peut pas s ouvrir plus - Tout cela peut sembler très compliqué, et quand on voit les QCM ça l est ;-). Un apprentissage très rigoureux associé à une bonne compréhension sont indispensables - Au concours c est surtout le III et le cours n 3 qui tombent, mais bien comprendre ce qui est avant ne peut qu être qu un plus (et un plus c est plusieurs places :S)! III Aspect moléculaire A - Canaux Ca 2+ de la membrane plasmique - SOC En fonction du gradient de concentration (favorise les entrées passives) - SMOC Activé par des 2 nd messagers (voir cours signalisation cellulaire) comme les acides aminés ou le Ca 2+ - VOC Voltage dépendant, appartient à la famille des canaux calciques de type L - ROC S ouvre quand fixation d un ligand sur le canal, à l instar du glutamate - ROC, VOC, SMOC et SOC sont des mécanismes passifs - RYR-IP3 : Récepteurs ryanodine dépendant de l IP3 : ce sont des récepteurs-canaux - Il existe aussi des mécanismes actifs en ce qui concerne le calcium o VAC : dans les vacuoles o RS : Réticulum Sarcoplasmique (cours 3 échanges transmembranaires : SERCA : accumule le calcium dans des vésicules pour le sous-concentrer dans le cytoplasme) o Ca 2+ ATPase : fait sortir le calcium de la cellule o CA 2+ /Na + : fait entrer 3 Na + et du coup a l énergie pour expulser 1 Ca 2+

5 - Canaux calciques de type L (lent) o Plusieurs sous-unités (si β mal formée / absente : modification de l activité) o 4 sous-unités (les fameux «paquets») constituées chacune de 6 segments o Entre les segments 5 et 6 : formation du canal calcique lors du repliement : partie hydrophile o Le segment 4 est celui dit «du voltage»: il participe à la réponse de la protéine à une modification du potentiel de la membrane : cela rend le canal voltage dépendant car les acides aminés sont capables de modifier leur conformation (d où une modification de la protéine) o Côté cytoplasme : il peut y avoir activation du canal par des protéines G o A l extrémité C-terminale : 4 sites de phosphorylation cytosoliques o Ce canal peut être inhibé : des acides aminés entrent en liaison avec des produits chimiques qui bloquent le canal (inhibiteurs du site récepteur) Il y a 3 domaines spéciaux sur les 4 qui existent o Domaine 1 : zone d activation ou d inactivation du canal o Domaine 2 : capacité du canal à sélectionner les ions le traversant o Domaine 4 : zone de fixation des produits chimiques et bloquent le canal Dans la lutte contre l hypertension diastolique une vasodilatation est nécessaire : inhibition par vérapamil / diltiazen (domaine 4) - Canaux calciques de type T : Transitoires B Canaux de type K+ - Canaux à plusieurs domaines transmembranaires (hélices α) - Sous-unités à 2-4 voire 6 domaines transmembranaires - C est une famille multigénique - 3 grands types de canaux K+ (PAR CŒUR) 1/ Canaux K + de type Shaker - 6 segments transmembranaires, Ca 2+ ou voltage dépendants - Segment 4 impliqué dans la reconnaissance des variations de potentiel de la membrane : voltage-dépendance - Formation du pore entre les segments 5 et 6 : boucle hydrophile appelé domaine P - 4 sous-unités (α1 à 4) qui forment l ensemble de la structure du canal dont le pore - 1 domaine phosphate de régulation - Le pore est inhibé par le TEA (TétraEthylAmmonium) spécifique des canaux K + - Au niveau de S4 il y a un triplet d acides aminés - Quelques molécules d eau passent permettant l ionisation des K + - Longue chaîne hydrophile au niveau cytoplasmique (permettant des modulations)

6 2/ Canaux K+ de type Kir - Ce sont les canaux de la rectification entrante - Ils possèdent 4 sous-unités - Chaque sous-unité possède seulement 2 segments, d où l absence de voltage dépendance - Le domaine P est situé entre les 2 segments - L activité (tout comme celle des shakers) est modulée par des nucléotides, du Ca 2+, le ph et des éléments du cytoplasme - Extrêmement sélectifs : ne laissent rentrer que le K + - Un motif phosphate de régulation 3/ Canaux K+ de type mécano-dépendants - Aussi appelés canaux de Penit - Leur particularité est d avoir deux domaines phosphates de régulation - Activés par étirement de la membrane - Interviennent dans le processus osmotique - Activables par les acides gras polyinsaturés et les anesthésiques généraux volatils o TREK1 (dans les cellules cardiaques) est modifié par le ph intracellulaire : il est en effet sensible aux acidoses C Canaux Cl- - CLC : dépendants du voltage, 13 segments - VRAC : dépendants du voltage - Ca2+ dépendants - CFTCR : indépendants du voltage, régulés par l ATP (phosphorylation et déphosphorylations), pour que ce canal soit fonctionnel il doit être dimérisé (voir cours signalisation cellulaire) impliqués dans la mucoviscidose Il est très facile de se mélanger dans ces canaux K + Le par cœur évite ce genre de problèmes Soyez très attentifs, il peut y avoir des erreurs, ce cours est très dur à prendre en note. Bon courage! Ce document, ainsi que l'intégralité des cours de P1, sont disponibles gratuitement à l'adresse suivante :