VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines. VI.1 Diffusion latérale théorique
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- Marie-Laure Champagne
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1 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes V.1 Propriétés des lipides V.2 Fluidité membranaire V.3 Formation des rafts V.4 Fusion membranaire VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique
2 Déplacements latéraux des lipides et des protéines => distances relativement longues => 2 dimensions (plan de la membrane) Coefficient de diffusion latérale mesuré : DL => 2 dimensions DL = < ℓ2 > 4t <ℓ2> : parcours libre moyen (m2) t : temps (s) => unité : m2/s
3 Pour un lipide : DLlipide m2/s DLlipide 1 µm2/s => ℓ (4 t DL) => ℓ 2 µm en 1 seconde (taille d'une bactérie) => tour d'une cellule sanguine en 12 s DL des lipides et protéines est relié à la fluidité de la membrane => Approximation : membrane = continuum => Equation de Einstein-Stockes DL = kt 4πηa k : Constante de Boltzmann η : viscosité (1/fluidité) T : T K a : rayon d'une particule sphérique
4 Pour une protéine : protéine assimilée à un cylindre de section a avec a proportionnel à 3 MM => une partie de la protéine dans la membrane une partie de la protéine dans le milieu aqueux DLprot = kt 4 π ηm h x [ ln ηm h ηw a -γ] h : hauteur de la membrane ηm : viscosité membrane ηw : viscosité milieu aqueux γ : constante d'euler => Pour une protéine de 100 kda cylindre de section 5 nm la membrane : h = 10 nm et ηm = 10-1 N.s / m2 le milieu aqueux : ηw = 10-3 N.s / m2 => DLprot = m2/s DLlipide DLprot peu dépendant de la masse molaire
5 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.2 1. Théorie
6 Processus de luminescence : Emission de lumière après excitation : Chimique Mécanique (Friction) Physique Absorption de la lumière Photoluminescence : Fluorescence Phosphorescence
7 Fluorescence et Phosphorescence => Excitation d'électrons puis retour à l'équilibre λ1 λ2 => Durée de vie Fluorescence Phosphorescence => Différent de par le système excité => Phosphorescence : durée de vie plus longue Diagramme d'énergie de Jablonski
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15 Photoblanchiment : Après plusieurs cycles excitation - émission un fluorochrome ne fluoresce plus => il est «photoblanchi» (photobleached)
16 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes V.1 Propriétés des lipides V.2 Fluidité membranaire V.3 Formation des rafts V.4 Fusion membranaire VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.2 1. Théorie VI.2 2. Fluorochromes - fluorophores
17 Molécules fluorescentes = Fluorochromes => Petites molécules seules en solution = sonde fluorescente, ou colorant Fluorochromes liés à une macromolécule = Fluorophores => Fluorophores intrinsèques : naturels Acides aminés aromatiques (Trp), GFP, porphyrine => Fluorophores extrinsèques : synthétiques
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19 La bioluminescence : La GFP (protéine fluorescente verte)
20 Protéines solubles de la famille de la GFP : tonneau β
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23 Gly 67 Ser 65 Tyr 66 fluorochrome de la GFP
24 Différentes protéines fluorescentes provenant de divers organismes Discosoma
25 Différentes protéines fluorescentes modifiées par biotechnologie
26 Applications : protéines membranaires fusionnées GFP lipides fusionnés GFP => localisation par microscopie confocale ou colocalisation
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28 Présence de Tyr (jaune) Trp (bleu) et Phe (rouge) dans les protéines membranaire => Fluorescence modifiée par l'environnement hydrophobe + quenching => renseignements sur la structure et l'insertion dans la bicouche
29 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes V.1 Propriétés des lipides V.2 Fluidité membranaire V.3 Formation des rafts V.4 Fusion membranaire VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.2 1. Théorie VI.2 2. Fluorochromes-fluorophores VI.2 3. Expériences de FRAP
30 FRAP : Fluorescence Recovery After Photobleaching Réapparition de Fluorescence Après Photoblanchiment Marquage par un fluorochrome
31 FRAP : Fluorescence Recovery After Photobleaching Réapparition de Fluorescence Après Photoblanchiment Microscopie de fluorescence
32 FRAP : Fluorescence Recovery After Photobleaching Réapparition de Fluorescence Après Photoblanchiment Rayon laser
33 FRAP : Fluorescence Recovery After Photobleaching Réapparition de Fluorescence Après Photoblanchiment
34 FRAP : Fluorescence Recovery After Photobleaching Réapparition de Fluorescence Après Photoblanchiment => Coefficient de diffusion
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36 τd= ω γ / 4 DL 2 ω : rayon du laser γ : facteur de correction
37 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes V.1 Propriétés des lipides V.2 Fluidité membranaire V.3 Formation des rafts V.4 Fusion membranaire VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.2 1. Théorie VI.2 2. Fluorochromes-fluorophores VI.2 3. Expériences de FRAP VI.2 4. Expériences de FLIP
38 FLIP : Fluorescence Lost In Photobleaching Perte de Fluorescence par Photoblanchiment
39 FLIP : Fluorescence Lost In Photobleaching Perte de Fluorescence par Photoblanchiment
40 FLIP : Fluorescence Lost In Photobleaching Perte de Fluorescence par Photoblanchiment
41 FLIP : Fluorescence Lost In Photobleaching Perte de Fluorescence par Photoblanchiment
42 FLIP : Fluorescence Lost In Photobleaching Perte de Fluorescence par Photoblanchiment => Coefficient de diffusion => Microdomaines
43 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes V.1 Propriétés des lipides V.2 Fluidité membranaire V.3 Formation des rafts V.4 Fusion membranaire VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.2 1. Théorie VI.2 2. Fluorochromes-fluorophores VI.2 3. Expériences de FRAP VI.2 4. Expériences de FLIP VI.2 5. Expériences de FRET
44 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
45 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
46 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
47 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
48 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
49 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
50 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
51 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
52 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
53 FRET : Fluorescence Resonance Energy Transfert Transfert de Fluorescence par Résonance
54 => Utilisation de protéines de fusion GFP ou autres => FRET sur Trp (Quenching par Cys ou Met)
55 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.3 Diffusion latérale des lipides
56 Diffusion latérale des lipides => études par la méthode de FRAP Exemple : Etude de l'influence du cholestérol sur la diffusion du DMPC dans des liposomes géants = GUV (Giant unilamellar vesicles) => Sonde NBD - PE GUV DMPC GUV DMPC + Cholestérol
57 Limites à la diffusion des lipides : Microdomaines (rafts) Présence de protéines (=> contournement)
58 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.3 Diffusion latérale des lipides VI.4 Diffusion latérale des protéines VI.4 1. Première expérience 1970
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60 Ac marqués vert (fluorescéine) et rouge (rhodamine) => Suivi de la redistribution des protéines au cours du temps
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63 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.3 Diffusion latérale des lipides VI.4 Diffusion latérale des protéines VI.4 1. Première expérience 1970 VI.4 2. Single particle tracking (SPT)
64 Couplage protéine bille d or colloïdal ou autre particule fluorescente via des anticorps spécifiques
65 Microscopie confocale
66 Suivi de la trajectoire avec une caméra CCD
67 => MSD Mean Square displacement = fonction de déplacement quadratique moyen
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69 Suivi d un récepteur membranaire Couplé à un fluorophore
70 ± Cholestérol
71 ± Cholestérol + inhibiteur de l actine
72 FRAP à l échelle de la particule unique
73 FRAP sur la population entière
74 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.3 Diffusion latérale des lipides VI.4 Diffusion latérale des protéines VI.4 1. Première expérience 1970 VI.4 2. Single particle tracking (SPT) VI.4 3. FRET
75 Récepteurs du «non-soi» Toll-like => récepteur du LPS lipopolysaccharide bactérien
76 FRET : donneur = TOLL-LIKE Accepteur = ganglioside
77 => Ganglioside excité (dans les rafts) => Proximité des 2 molécules => Le recepteur est confiné dans les rafts au moment de son activation
78 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.3 Diffusion latérale des lipides VI.4 Diffusion latérale des protéines VI.4 1. Première expérience 1970 VI.4 2. Single particle tracking (SPT) VI.4 3. FRET VI.5 Limitation à la diffusion latérale des protéines
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80 Formation d agrégats, de rafts Intéraction avec le glycocalix Ou avec le cytoskelette À cause des jonctions cell.
81 Structures et propriétés des membranes biologiques I. Rappels II. Interactions entre les constituants membranaires III. Caractérisation des constituants membranaires IV. Structure et fonctions des protéines membranaires V. Dynamique des membranes VI. Diffusion latérale des lipides et des protéines VI.1 Diffusion latérale théorique VI.2 Spectroscopie de fluorescence VI.3 Diffusion latérale des lipides VI.4 Diffusion latérale des protéines VI.5 Limitation à la diffusion latérales des protéines VII. Diffusion transversale des lipides
82 => Enzyme qui permet le maintien des différences de composition entre feuillet membranaire interne et feuillet externe
83 Flippase = translocase
84 PC SM PE PS Flippase = translocase
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