Christophe Six. UMR UPMC CNRS 7144 Station Biologique de Roscoff Bureau 354

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1 Structures des membranes biologiques Christophe Six UMR UPMC CNRS 7144 Station Biologique de Roscoff Bureau 354

2 I. Rappels et généralités 1 / Les grandes fonctions des lipides -Fonction structurale : les membranes biologiques - Fonction nutritive : alimentation -Fonction métabolique : mobilisation de réserves énergétiques -Fonction informationnelle : hormones très importantes - Fonction de protection : isolation thermique, électrique et chocs Lipides très hydrophobes Stockage Lipides à groupement fonctionnel Signalisation Lipides Amphiphiles Structure Membranaire Triglycérides Stéroïdes Eicosanoïdes Phospholipides Sphingolipides Stérols

3 2 / Lipides et eau. La molécule d eau est un dipôle :. Les molécules ionisées interagissent facilement avec l eau. Les lipides, hydrophobes insolubles ou non miscibles à cause des chaines grasses. Notion de lipide amphiphile : Une molécule est dite amphiphile lorsqu'elle possède une région hydrophile et un groupe hydrophobe

4 «tête» hydrophile «queue» hydrophobe. Comportement en milieu aqueux dépend : - du caractère amphiphile marqué - de la concentration - de la température

5 . Interactions intermoléculaires : principalement hydrophobes Agrégations :. Organisation en monocouche : deux configurations Lipides Milieu aqueux Milieu aqueux Micelles Micelle inverse Séparation de 2 compartiments d hydrophobicité/hydrophilie différente

6 Les micelles permettent de faire des émulsions : Un mélange, macroscopiquement homogène mais microscopiquement hétérogène, de 2 substances liquides non miscibles La formation de micelles dépend de la température et de la concentration, appelée concentration micellaire critique Exemple d applications communes : - La lessive : les détergents (amphiphiles) forment des micelles avec les graisses, qui restent ainsi en suspension dans l'eau et peuvent être évacuées - La vinaigrette (émulsion instable) : mélange d'huile (lipides) et de vinaigre (liquide aqueux). Des molécules organiques amphiphiles naturelles présentes dans la moutarde assurent la stabilisation de l'émulsion - La mayonnaise (émulsion stable) : c'est la lécithine du jaune d'œuf qui forment les micelles

7 . Organisation en bicouche - Séparation de deux compartiments d hydrophobicité/hydrophilie similaire -Lorsque certains lipides sont en milieu aqueux, ils s'organisent de manière à minimiser les interactions entre leurs chaînes hydrocarbonées et l'eau. - Les lipides qui réalisent des bicouches sont très amphiphiles : phospholipides Mélange de lipides

8 . Exemples/applications - Les molécules de détergent séparent deux compartiments identiques formés d air - Les liposomes sont utilisés comme vecteurs de médicaments par voie intraveineuse Tailles variées Médicament hydrosoluble dans le compartiment aqueux Médicament liposoluble inclus dans la bicouche lipidique Protection du médicament vis-à-vis de certains enzymes et du système immunitaire Inconvénients : manque de spécificité, oxydation et instabilité des lipides

9 Fusion du liposome : libération des médicaments Liposome multicouche

10 Torchilin VP. (2006)Adv Drug Deliv Rev Dec 1;58(14):

11 1 / Qu est-ce qu une membrane biologique? Structure lipidique en bicouche séparant 2 compartiments d un environnement aqueux, s opposant ainsi au flux de molécules polaires. Membrane plasmique = plasmalemme : délimitation de la cellule (le milieu intérieur est alors le cytoplasme).. Membranes intracellulaires = endomembranes : délimitation d organite ou de structures intracellulaires (mitochondrie, chloroplaste, noyau, etc ).. L'épaisseur d'une membrane est d'environ 7,5 nm. Constituants : essentiellement lipides + protéines ; un peu de glucides Exemple des hématies : - Lipides : 40% (55% phospholipides, 25% cholestérol et 20% glycolipides) - Glucides : 8% (glycocalyx) - Protéines : 52%. Composition est généralement asymétrique. Chaque feuillet a sa composition propre

12 Un peu d histoire 1655: Hooke observe pour la 1 ère fois des cellules (= petites chambres) : Overton découvre que la capacité d'une substance à traverser une membrane dépend de son hydrophobicité: une membrane est donc composée de lipides 1965: Bangham, Standish & Watkins synthètisent des 1 ers liposomes à partir de lécithine d'œuf 1855: Nägeli & Cramer créent le concept de membrane =barrière (explication des phénomènes osmotiques). 1925: Gorter & Grendel démontrent que des lipides forment des bicouches. Ils montrent que la surface des lipides extraits des globules rouges = 2 fois la surface de ces cellules : hypothèse d'une membrane formée d'une bicouche de lipides 1972: Singer & Nicholson décrivent un modèle de la mosaïque fluide : la membrane est organisée en bicouche avec les têtes polaires des phospholipides en contact avec l'eau. Les protéines membranaires «flottent» dans ou en surface des lipides.

13 2 / Les lipides membranaires Seuls les lipides très amphiphiles forment les membranes Différentes classes de lipides membranaires dans les membranes : - Phospholipides : lipides dominants quantitativement (glycérophospholipides et sphingomyélines) - Cholestérol : l ensemble de la structure est apolaire à l exception du OH alcoolique. Il participe à la fluidité membranaire - Glycolipides : les cérébroglucosides, cérébrogalactosides et gangliosides sont localisés sur la face externe de la membrane plasmique Lécithine Ganglioside Cholestérol

14 . La fluidité des phospholipides dépend de la : - nature de la partie polaire - teneur en eau de l environnement moléculaire - présence ou non d ions - présence d autre lipides (stérols) - température - etc mais la nature de acides gras des phospholipides est un facteur prédominant. Fluidité (T C de transition de phase) : Phosphatide à 2 acides stéariques <<< Même phosphatide à 2 acides arachidoniques. Dans les membranes, les phospholipides contiennent un acide gras saturé et un insaturé : état de gel aux température biologiques (20-40 C)

15 . La fluidité lipidique est très importante perméabilité des membranes aux molécules. Désaturase : enzyme qui catalyse la transformation des acides gras saturés en acides gras insaturés (addition de doubles liaison) Exemples : - Synthèse de l acide oléique à partir de l acide stéarique - Adaptation à la température chez les microorganismes par modulation de la fluidité membranaire

16 . Diffusion horizontale des lipides - Phénomène rapide très important. Flip-flop des lipides - La tête polaire des lipides ne peut pas facilement traverser la couche hydrophobe Les flippases (ATP dépendantes) sont des enzymes catalysant le flip-flop des phospholipides au sein des membranes dans lesquelles ils sont synthétisés organisation des membranes - Ce mécanisme explique le maintien de l asymétrie des membranes Exemple : la présence de phosphatidylsérine sur la monocouche exocytoplasmique peut être un signal d apoptose : les plaque amyloïdes de la maladie d Alzeimher induisent cela

17 3 / Les protéines membranaires. Proportions très variables (25 à 75 % masse membranaire) et fonctions spécifiques : protéines structurales, enzymes, protéines de transport, récepteurs Classe de protéines très importantes. 2 grands types de protéines membranaires : - intrinsèques = intégrées dans la membrane - extrinsèques = «associées» à la membrane Intrinsèques 1 hélice ou plusieurs transmembranaires Plusieurs hélices tonneau Liaison covalente à un lipide Périphériques

18 Les différents types de protéines membranaires

19 4 / Les glucides membranaires. Les glucides sont associés par liaisons covalentes aux protéines sous forme de glycoprotéines ou aux lipides sous forme de glycolipides. Modifications post-traductionelles. Souvent de petits glucides ramifiés comportant moins de 15 monomères, situés généralement dans le milieu extérieur à la cellule ou l organite. 1/10ème des lipides glycosilés, la grande majorité des protéines membranaires le sont.. Couche externe des membranes plasmiques : résidus sucrés = manteau de protection (cell coat) = glycocalyx = glycolemme (cellules eucaryotes) ; quelques 10 ème de µm. Maintien de l asymétrie membranaire ; protection contre les enzymes. Reconnaissance du soi

20 . Les glycoprotéines : - Glycosylation en O : liés au à l hydroxyl de la sérine ou la thréonine. Souvent l'acide N-acétylneuraminique : charge négative aide à tenir les protéines éloignées les unes des autres par répulsion de charges. Chaines de sucres courtes - Glycosylation en N : sucres liés à l'azote du groupement amide de l'asparagine. Le sucre lié à l'asparagine est le N-acetylglucosamine. Chaines de sucres arborescentes. Les glycolipides : - Glycolipides sur les feuillets externes de la membrane plasmique : milieu extracellulaire - Chez les hématies : détermination du groupe sanguin selon le glucide fixé - Maladies infectieuses : voie d accès pour la toxine du choléra et le virus de la grippe

21 III. Propriétés des membranes biologiques Le terme de mosaïque fluide (Singer & Nicholson), est souvent employé pour décrire le comportement dynamique des membranes biologiques : Mosaïque : composition très hétérogène dans l'espace et le temps. La présence de protéines intégrales ou non, de différents lipides, de sucres complexes et l asymétrie des feuillets expliquent la dénomination de mosaïque. Fluide : les phospholipides et les protéines membranaires se meuvent dans le plan de la membrane. La membrane est un corps parfaitement déformable dans les 3 dimension. La membrane peut onduler: les phospholipides diffusent latéralement, peuvent exécuter des flip-flop.... Les membranes ne sont perméables qu'aux petites molécules hydrophobes (O2, N2, glycérol,...), par diffusion simple. Perméabilité sélective : contrôle des flux de molécules et ions entre les compartiments la cellule ou l organite a une composition propre, différant de celle extérieure. Bicouche = support aux nombreuses protéines transmembranaires : régulation des échanges transmembranaires : canaux ioniques (ions), aquaporines (transfert d'eau par osmose), etc...

22 On distingue différents types de transfert à travers la membrane :. Le transport passif : transport de composés sans consommation d'énergie (grâce au gradient électrochimique). Il existe 2 sortes de transport passif : - La diffusion simple : diffusion de composés directement à travers la bicouche lipidique - La diffusion facilitée : transport de composés à travers la bicouche lipidique grâce à une protéine de transport (petites molécules). Le transport actif : transport de composés à travers la bicouche lipidique grâce à une protéine de transport et une consommation d'énergie sous forme d'atp (contre le gradient électrochimique).

23 . Le transport à travers les membranes de molécules plus grosses se fait par endocytose (vers l'intérieur) et exocytose (vers l'extérieur) Les membranes ont la capacité de fusionner et de se séparer L'endocytose est possible grâce à des protéines formant des treillis polygonaux, les clathrines, qui entourent les vésicules d'endocytose et provoquent l'invagination.

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