COURS N 16 DE BIOLOGIE CELLULAIRE : ÉCHANGES TRANSMEMBRANAIRES 1 AVERTISSEMENT : les cours du Pr Rona sont extrêmement difficiles à prendre en note, et sont souvent durs à apprendre. Ici plus encore que pour les autres cours, une attention maximale en amphi est nécessaire : ce cours n est pas forcément complet à 100%. J ai sciemment choisi de m écarter un peu de la présentation de l amphi par soucis de clarté Les membranes biologiques - De part et d autre de la membrane : concentrations ioniques différentes entre cytoplasme et milieu extérieur - Asymétrie de la membrane plasmique : une zone des protéines transmembranaires dépasse de la membrane : rôle dans la régulation des ions voire récepteur à un ligand - Membrane hétérogène : 2 lamelles hydrophiles et une lamelle hydrophobe - Les liaisons de Van der Walls permettent de maintenir ensembles les 2 parties hydrophobes des deux couches de phospholipides - Épaisseur membrane : 75 Å = 7,5 nm - Diamètre canal ionique : souvent dans les 10 Å avec forte densité de présence Concentration ionique dans les cellules des vertébrés Concentration cytoplasmique Concentration milieu extracellulaire Na + 14 140 K + 160 3 Ca 2+ 10-4 1 à 2 Cl - 14 150 - La cellule est capable de sous-concentrer le Na + et de sur-concentrer le K + - Un gradient de concentration se produit lorsqu un ion est présent dans des concentrations différentes de part et d autres d une membrane dans laquelle il est diffusible - Ainsi il y a un gradient de Na + de facteur 10 qui doit rester constant dans la vie de la cellule - C est l inverse pour le K + qui est sur-concentré dans le cytoplasme - Il y a des mécanismes qui permettent ces différences de concentration (que vous allez déguster sur 3 cours) - Le Ca 2+ a un rôle majeur dans tous ces mécanismes car ses variations sont lues par des protéines du cytoplasme o Le Ca 2+ est toxique en fortes quantités dans le cytoplasme o De légères variations du taux de Ca 2+ provoquent de fortes variations de potentiel de membrane - Le Cl - quand à lui est surtout présent dans le milieu extérieur : si l on fait l addition la cellule serait chargée très positivement, or il y a des acides organiques colloïdes chargés négativement dans le cytoplasme. La finalité est l électroneutralité
Electroneutralité - indispensable à la vie : un compartiment biologique est neutre dans sa globalité - Cependant, différentes zones peuvent être chargées dans une cellule Le distinguo est souvent mal fait par la majorité : la membrane est chargée mais neutre! En effet d un côté il y a forte présence d ions chargés + et de l autre une forte présence d anions : au final c est neutre mais chargé ;-) - Em < 0 : le potentiel de la membrane est négatif car il y a 10000 fois moins de calcium dans la cellule que dehors. Si celui-ci était trop présent dans la cellule il y aurait de nombreux problèmes de signalisation ainsi qu une toxicité Quels sont les systèmes polarisés? - Tous ceux possédant une bicouche en guise de protection, c'est-à-dire les organites surtout o Réticulum Endoplasmique o Golgi o Membranes des mitochondries (cours n 12) o Vacuoles, lysosomes, chloroplastes, etc. Pourquoi parle-t-on de polarisation? - Car il y a des têtes polaires (ne vous les apprenez pas par cœur dès maintenant, le Pr Butor va vous les détailler en long, large et en travers) - Il y a trois têtes polaires possibles (et une 4 ème plus rare) o Choline o Sérine o Inositol o Ethanolamine - Le tout additionné d un acide phosphorique chargé négativement - Les canaux ioniques traversent la membrane de part et d autre - Les zones hydrophobes (chaîne aliphatique) s intègrent de façon forte aux protéines intrinsèques à la membrane - Les têtes polaires se lient aux zones hydrophiles La diffusion simple - Liposome : très faible diffusion simple d un ion dans le sens de son gradient de concentration - Ne permettrait pas les mécanismes des cellules vivantes o Cl - 10-10 cm/s o Na + 10-12 cm/s o K + 10-12 cm/s - Sans protéines de transport, les flux d ions seraient donc très réduits - Le cholestérol est une molécule amphiphile qui ne peut à lui seul former des bicouches ou micelles, néanmoins il s insère parfaitement dans la bicouche membranaire sans K. Il a un rôle dans la fluidité membranaire
La mosaïque fluide - C est le nom donné à la membrane plasmique : elle intervient sur les pressions des protéines de transport - Deux facteurs doivent être pris en compte o Le gradient de concentration (que l on a déjà vu) o Le gradient électrique : même si le gradient de concentration est en faveur de l ion, si le gradient électrique est contre lui, il ne pourra pas traverser sans énergie / ATP - Pour remonter le gradient électrochimique, il faut de l énergie fournie par une molécule d ATP ADP + Phosphate Inorganique (Pi): énergie utilisée par des ATPases A - Pompes : - protéine intrinsèque avec une zone cytoplasmique plus importante que la zone extracellulaire - Le sens est unique et va vers l extérieur - Le gradient électrique joue sur l efficacité de ces pompes - Ex : Pompes à Calcium, NA-K ATPases B Canaux ioniques - Constitués de plusieurs sous-unités - Capables de modifier l intensité du flux d ions les traversant - Transport passif, pas de sens obligatoire, pas besoin d énergie C Récepteurs canaux - Transport dans les deux sens - Transport passif - Une partie sert de récepteur à un ligand activant le canal - Une zone canal (C) et une zone réceptrice du ligand (R) D Transports couplés - Également appelés transports actifs secondaires - 2 éléments transportés en même temps au travers d une protéine, la force du gradient de l un entrainant l autre contre son gradient - Ces deux éléments sont dépendants au sein de ce transport - 2 types : symports et antiports (voir plus loin) Modulation de l activité des systèmes de transport - Concernent les 4 types de transporteurs vus au dessus - Peuvent être de très nombreuses sortes - Contrairement au prof je vais d abord expliquer 2-3 notions qu il expliquera après
Variations du potentiel de membrane - Cellule au repos est chargée négativement au point de vue membranaire : -40 à -80 mv - Si elle devient encore plus «négative» on parle d hyperpolarisation (-90mV) - Si elle devient moins «négative» on parle de dépolarisation (-20mV) Effets osmotiques - L osmose est un mouvement d eau et d ions (voir après) - Lorsqu il y a entrée d eau dans la cellule on parle de turgescence (la cellule gonfle) - Lorsque c est le contraire qui se produit, on parle de plasmolyse (elle dégonfle) - Ces mouvements d eau agissent sur les 4 types de transporteurs Qu est-ce qui module l activité de ces transporteurs? - Des signaux externes o Variations de ph o Variations de la concentration en Ca2+ o Effets osmotiques o Variations de voltage (cellule musculaire en action) - Des signaux internes o Variations de la concentration en Ca2+ o Nucléotides : GDP, AMP cyclique, AMPH o Effecteurs cytosoliques : IP3, calmoduline, kinases Calmoduline : fixe 4 Ca2+ et les apporte à des systèmes calcium-dépendants o Phosphorylations (via kinases) ce qui modifie la conformation des protéines o Effets osmotiques o Variations de ph : si cytoplasme alcalin, activation des canaux K+ Conclusion sur cette partie - Dans la membrane plasmique, divers types de protéines intrinsèques sont impliqués dans le transport des petites molécules et des ions - Ces protéines ont en général une forte sélectivité vis-à-vis des ions ou des petites molécules transportées - Ce transport peut être régulé par l activité cellulaire (synthèse ATP, variations Ca2+, etc.) - Ces protéines peuvent parfois contrôler le sens et moduler l intensité des flux de particules
Aspects énergétiques - UNIPORT : une protéine ne transporte qu un seul ion / espèce ionique à la fois dans un seul sens! - UNIPORT PASSIF o Un seul ion transporté o Dans le sens du gradient électrochimique - UNIPORT ACTIF o Un seul ion transporté o Dans le sens contraire du gradient o Nécessite de l ATP Diffusion d une phase homogène de coefficient D - En cours le Pr Rona explique de façon très claire ce point, voici l essentiel o Un flux majoritaire va du plus concentré au moins concentré o Un flux ultra-minoritaire fait le contraire : le mouvement brownien o La différence entre les deux donne le flux net o Attention, même si le flux net = 0 les deux flux le composant peuvent être 0 Transports actifs, passifs et diffusion facilitée - De même les explications du cours sont claires et donc le résumé o Diffusion facilitée et transport passif 10 7 ions / s o Diffusion par transport actif jusqu à 500 ions / s o La diffusion facilitée et le transport actif sont très rapides à se mettre en marche o Le transport passif est nettement plus lent pour atteindre sa vitesse maximale o Plus la Km sera petite et plus la protéine aura d affinité pour l ion qu elle transporte et plus le transport se fera facilement Lois de Fick - 1 ère loi de Fick : Js = -D (dc dx) : valable pour une diffusion entre les deux bords d un cristallisoir - 2 ème loi de Fick : Js = -PdC : valable pour une membrane semi-perméable 2 options s offrent à vous : vous apprenez ça par cœur et les appliquez dans les TD ou vous les comprenez. Ne les prenez pas à la légère l an passé (2007-2008) c est tombé. Ce cours est vraiment dur à comprendre et peut faire peur, mais en le lisant à tête reposée plusieurs fois ça se clarifiera. Les 2 cours qui suivent vont aussi y contribuer! Rappel sur l omose : - L eau se déplace du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique
Transports actifs secondaires - symports et antiports o 1 ion dans le sens du gradient o 1 ion dans le sens contraire - Symport : les deux ions vont dans le même sens - Antiport : un ion rentre dans la cellule tandis que l autre en sort - Antiports comme symports peuvent modifier le potentiel de la membrane Transport passif de l eau à travers la membrane : les aquaporines - Les aquaporines sont des canaux hydriques, l eau va donc du milieu hypotonique vers l hypertonique - La vitesse de diffusion de l eau à travers la bicouche est faible : 10-2 cm / s - Les aquaporines augmentent le flux de diffusion de l eau au travers des membranes biologiques - Les aquaporines ne permettent pas le transport des ions Structure d une aquaporine - Protéines de 250 à 300 acides aminés pesant au total 25 à 35 kda - Les aquaporines ne laissent passer que les ions et les molécules à 3C - Tous les tissus vivants possèdent des aquaporines - NB : les canaux ioniques ne permettent pas le transport de l eau (il y a bien un peu d eau qui permet l ionisation mais c est ultranégligeable)
- Les aquaporines sont assemblées en homotétratomères : 4 monomères dans une aquaporine Structure d un monomère o 6 domaines transmembranaires (hélices α insérées dans la bicouche) o 2 motifs NPA sur les boucles B (2-3) et E (5-6) o Les motifs NPA (asparagine proline alanine) vont se souder entre eux pour former une 7 ème hélice et délimiter le canal de l aquaporine de 3Å de diamètre - Les extrémités N-ter et C-ter sont intracellulaires, avec des phosphorylations possibles grâce à des PKA, PKC ou encore PK-Cam - Les aquaporines sont inhibées par les sels de mercure au niveau des résidus Cystéine des protéines (Cys 189 pour AQP1) Protéine Activité identifiée Espèces exclues Inhibition par sels de mercure Protéines Kinases impliquées MIP26 Canal ionique > 1,5 kda non PKA, PKC, PK-Cam AQP1 Canal hydrique Ions, urée (polyols à 3C) et polyols à Localisations principales Œil (cristallin) Oui (Cys 189) PKC Érythrocytes, rein, œil, cerveau, cœur, 4C poumon, etc. AQP2 Canal hydrique Urée Oui (Cys 189) PKA, PKC Rein AQP3 Canal hydrique (glycérol, urée) Aa, sucres, ions Oui Cas KII Rein, gastro-intestinal poumon, vessie AQP4 Canal hydrique Ions, urée, glycérol Non Cerveau, œil, rein, poumon, intestin Vacuole des graines αtip Canal hydrique PKA, PK-Ca, PK-GMPc La structure des aquaporines est essentielle à savoir, le tableau peut-être un peu moins (sauf AQP1 à savoir par cœur) Tout ce cours est compliqué et foncièrement nouveau, il faut apprendre les chiffres (Cys189) de façon très rigoureuse. Essayez de le savoir ou au moins de l avoir compris avant d affronter le suivant qui est de loin le pire de toute la PCEM1 Sur ces paroles pleines d espoir, bon courage! Ce document, ainsi que l'intégralité des cours de P1, sont disponibles gratuitement à l'adresse suivante : http://coursp1bichat-larib.weebly.com