FONCTIONS DE LA MEMBRANE PLASMIQUE

FONCTIONS DE LA MEMBRANE PLASMIQUE UE2 - La cellule et les tissus Professeur Aksam Merched Laboratoire de Biologie Cellulaire, UFR de Pharmacie et INSERM U1053 (Groupe de Recherches pour l Etude du Foie) Bordeaux 2 COURS PACES 2013-2014

UE2- La cellule et les tissues Structure générale et programme fonctionnel de la cellule: 1. Etudes fonctionnelles sur modèles cellulaires 2. Structure de la membrane plasmique 3. Fonctions membranaires Place du cours dans l UE2

Plan du chapitre I. Rôle dans l adhésion et les interactions cellulaires II. - Les CAMs - Les SAMs Rôle dans la communication et la signalisation cellulaire (bref) III. Rôle dans le transport des petits solutés Transport passif Transport actif des macromolécules Endocytose Exocytose

Le manteau cellulaire ou glycocalyx Biological Membranes, Harrison and Lunt, 2 ème édition

Rôle du manteau cellulaire ou glycocalyx Les glycoprotéines du glycocalyx présentent une grande diversité structurale et fonctionnelle. On les considère comme des marqueurs qui permettent de distinguer les cellules, notamment celles des différents groupes sanguins. Elles interviennent dans les interactions entre cellules Elles peuvent procurer aux cellules une protection mécanique

I- Rôle de la membrane plasmique dans l adhésion cellulaire Les protéines d adhérence: - Les CAMs (= Cell Adhesion Molecules) - Les SAMs (= Substrate Adhesion Molecules) Représentation schématique des principales classes de protéines d adhérence Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Modes d interaction intercellulaires: Liaison homophile (=appariement direct de deux protéines d adhérence identiques) Liaison hétérophile (=appariement direct de deux protéines d adhérence différents) Liaison par intermédiaire d un ligand extracellulaire

I-1. Les Cell Adhesion Molecules (CAMs) Les immunoglobulines, les cadhérines et les sélectines Les immunoglobulines (Ig): Elles constituent une superfamille de molécules d adhésion intervenant dans les adhérences intercellulaires homophiles et hétérophiles. Quelques exemples essentiels: 1. les N-CAMs (pour Neural CAMs). Elles génèrent l adhésion entre les neurones lors de l embryogènèse du système nerveux. 2. les L-CAMs (pour Liver CAMs), liaison spécifique. 3. les Ng-CAMs (pour les Neuroglial CAMs) liant les neurones aux cellules de la névroglie.

Les cadhérines Grande famille de protéines d adhérance et liaison intercellulaire au sein des tissus (liaisons homophiles). Leur fonctionnement dépend des taux de calcium. Chez l adulte, elles jouent un rôle dans les phénomènes biologiques de réparation tissulaire (cicatrisation), de l hémostase par la thrombose, de réactions inflammatoires. Les principales cadhérines: 1. E-cadhérines pour Epithelial 2. M-cadhérines pour Myoblastes 3. N-cadhérines pour Neural 4. P-cadhérines pour Placental 5. VE-cadhérines pour cellules endothéliales (Vascular Endothelium)

Les sélectines Les sélectines, glycoprotéines intégrées riches en sucres, sont une famille de CAMs calcium-dépendantes, responsables des phénomènes d adhérence entre globules blancs (leucocytes, lymphocytes et polynucléaires) et les cellules endothéliales des vaisseaux. Les liaisons sont très spécifiques, mais brèves. 1. La sélectine L (interaction Leucocytes/endothélium) 2. La sélectine E (interaction Endothélium/polynucléaire) 3. La sélectine P (interaction Plaquettes/endothélium)

I-2. Les Substrate Adhesion Molecules (SAMs) Les SAMs sont responsable de l adhésion cellulaire à la matrice extracellulaire. Deux groupes: les intégrines et les SAM non intégrines (non traitées). Comme les cadhérines, en règle générale, elles jouent un rôle important dans les phénomènes biologiques de l agrégation plaquettaire, de la réponse immunitaire et dans la migration des métastase. Les plus notoires sont: 1. la protéine IIb/IIIa, élaborée par les plaquettes et dont la fixation de nombreux ligands contribue à l agrégation plaquettaire 2. les récepteurs de constituants de la matrice extracellulaire (laminine, fibronectine).

II- Rôle la membrane dans la signalisation cellulaire Dans la partie Signalisation cellulaire du cours de Biologie cellulaire, de même que ans l UE6, la structure et le fonctionnement des récepteurs sont développés en détails. Comment les signaux reçus par la membrane sont réceptionnés et comment la réponse cellulaire est générée après intégration du signal?

Les récepteurs et les mécanismes de signalisation permettent aux cellules de répondre aux signaux de leurs environnements Stimuli: hormone, toxines, facteurs de croissance Réponses: expression de gènes, activation des enzymes, les moteurs du cytosquelette

Exemple particulier : la réponse à une hormone stéroïde par un récepteur intracellulaire

III- Transport et perméabilité sélective La perméabilité sélective de la membrane repose à la fois sur les protéines de transport spécifiques et sur les propriétés chimiques de la bicouche phospholipidique Milieu extracellulaire Chaines glucidiques latérales Zone hydrophile Zone hydrophobe Zone hydrophile Glycérophospholipide Protéines

La perméabilité de la bicouche phospholipidique La cellule a la capacité d admettre certains ions et petites molécules et de refuser l accès a d autres. Les molécules hydrophobes (non polaires), comme les hydrocarbures, le CO 2, O 2 se dissolvent dans la bicouche de la membrane et la traversent sans l aide de protéines. Les molécules polaires et les ions ne traversent pas directement la membrane. Ils utilisent les protéines de transport.

Les protéines de transport les protéines-canaux servent de canal à différentes substances. Exemple les aquaporines qui facilitent le passage de l eau. Les protéines porteuses ou les perméases se lient à leurs passagers spécifiques et changent de forme pour les faire passer de l autre côté de la membrane. Exemple le «véhicule à glucose» de la membrane plasmique des globules rouges.

Les pompes: une catégorie de protéines membranaires qui utilisent de l énergie pour forcer le transport de substrats spécifiques à travers la membrane. Exemple la pompe à sodium et à potassium qui expulse les ions Na+ de la cellule tout en laissant entrer les ions K+ Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Modalités de passage des substances via les protéines membranaires de transport Uniport (transport unique) Symport (co-transport) antiport (échange)

Qu est ce qui détermine la direction des déplacements à travers la membrane? Quels sont les mécanismes assurant le passage des molécules de part et d'autres de la membrane? TO CROSS OR NOT TO CROSS? Madame «Molécule de PACES»

Modes de transport: actif et passif Le transport passif est la diffusion à travers une membrane sans dépense d énergie Transport actif est le déplacement des solutés à l encontre de leur gradient de concentration; nécessite de l énergie

III-1. Le transport passif La diffusion est la tendance des substances à se repartir uniformément dans un milieu Le déplacement de chaque molécule se fait de façon aléatoire mais la diffusion d une population de molécule peut s orienter dans une direction précise. La diffusion est un mode de transport passif car elle ne requiert aucune dépense d énergie de la cellule

Règle de la diffusion: loi de Fick La diffusion passive à travers une membrane est gouvernée par la loi de Fick (exprimée en moles / unité de temps) Flux de soluté = Pk x A (C1-C2) Pk : coefficient de perméabilité A: surface membranaire C1 et C2 concentration du soluté de part et d autre de la membrane

Interprétation de la loi de diffusion passive La loi indique simplement qu une substance diffuse de l endroit où elle le plus concentrée vers l endroit où elle l est le moins c.à.d. elle diffuse suivant son gradient de concentration Le mécanisme de la diffusion simple n est pas saturable: Flux DC = différence de concentration de soluté des 2 côtés de la membrane 0 DC le flux à travers la membrane est directement proportionnel au gradient de concentration (DC=C1-C2)

Exemple: diffusion d un soluté (colorant) en milieu aqueux Molécules de colorant Membrane (coupe transversale) EauR Diffusion nette Diffusion nette Équilibre Une membrane synthétique sépare de l eau distillée d une solution aqueuse de colorant. Les pores de la membrane sont assez grands pour laisser passer les molécules de colorant dissoutes. Le colorant diffuse de la zone où il est le plus concentré vers la zone où il est le moins concentré.

Facteurs qui influencent la diffusion simple Les facteurs qui influencent la diffusion passive à travers la membrane lipidique sont: Le gradient de concentration Taille des molécules (PM) L hydrophobicité (lipophilie)

La perméabilité de certaines substances à travers la membrane lipidique 1 10-2 10-4 Perméabilité élevée Perméabilité moyenne 10-6 10-8 Perméabilité très faible 10-10 10-12 Imperméabilité coefficient de perméabilité (cm/s)

Comportement au niveau de la membrane plasmique: diffusion simple et diffusion facilitée Les substances liposolubles traversent aisément la membrane plasmique. Les substances hydrosolubles traversent plus difficilement au niveau des territoires hydrophobes de la membrane plasmique. Certaines substances hydrosolubles traversent anormalement facilement la membrane plasmique. C est un passage facilité par des transporteurs ou perméases. C est la diffusion facilitée.

Comparaison du passage des solutés dans la diffusion simple et la diffusion facilitée Flux Diffusion facilitée par un transporteur Diffusion simple Diffusion simple Transport passif diffusion facilitée DC La cinétique de la diffusion facilitée est caractérisée par un phénomène de saturation

Saturation du trafic liée à la capacité des tunnels

Diffusion facilitée: un model de transport passif facilité par les protéines Ces protéines accélèrent le mouvement passif des molécules à travers la membrane plasmique Les protéines de transport sont les protéines canaux et les perméases:

Diffusion facilitée par les protéines canaux Les protéines canaux sont des tunnels, des véritables couloirs hydrophiles qui permettent aux molécules d eau ou à des petits ions spécifiques de traverser très rapidement la membrane. Exemple des protéines canaux: Les canaux ioniques ou ionophores qui s ouvrent ou se ferment en réponse à un signal de nature électrique, chimique ou mécanique. Les aquaporines qui facilitent la diffusion massive de l eau

les aquaporines: exemple de diffusion facilitée de l eau L eau traverse aisément les bicouches malgré son caractère très hydrophile (10 9 fois plus vite que le sodium et le potassium). La diffusion massive de l eau est facilitée par les aquaporines (découvertes par Peter Agre en 1992, récompensées par Prix Nobel de Chimie en 2003). Chaque aquaporine permet à plus de 3 milliards de molécules d eau par second de passer dans son canal hydrique. Certaines cellules rénales possèdent un grand nombre d aquaporines, ce qui leur permet de réabsorber de l eau de l urine avant de l excréter.

Les aquaporines Ce sont des protéines intégrées constituées de 6 hélices alpha s'insérant dans la bicouche lipidique constituante de la membrane, présentes dans les cellules à fort échange d eau (13 différentes identifiées et séquencées chez l homme). Elles sont déficientes dans certaines pathologies (diabète insipide, cataracte). Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

les ionophores: exemple de diffusion facilitée des ions Etymologiquement, «qui transportent les ions». Facilite la diffusion facilitée des ions. Exemples d ionophores exogènes (antibiotiques): valinomycine: forme des transporteurs navettes Gramicidine: forme des canaux transporteurs Principles of General Chemistry Gramicidine D en double hélice (gauche) et simple hélice dimérique (droite)

Ionophore endogène: le récepteur de l acétylcholine Une classe du récepteur est formée par des canaux ioniques chimiodépendants. Structure de récepteur très originale: récepteur au voisinage d un ionophore. L ACh se fixe sur son récepteur, ce qui va modifier la conformation du canal ionique très voisin. Augmente le passage du K+ (au niveau jonction neuromusculaire) Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Diffusion facilitée par les perméases Les perméases subissent un changement subtil de forme qui transfère le site de liaison d un côté à l autre de la membrane Certaines maladies héréditaires comme la cystinurie se traduisent par l absence de perméases qui sont impliquées dans le transport de certains acides aminés à travers la membrane des cellules rénales.

III-2. Le transport actif: déplacement de solutés à l encontre de leur gradient de concentration Malgré l intervention de protéines de transport, la diffusion facilitée reste un mode de transport passif, car le soluté transporté suit son gradient de concentration. Il existe cependant des protéines de transport qui peuvent aller à l encontre du gradient de concentration du soluté. Transport passif Transport actif ATP

L énergie et les facteurs nécessaires au transport actif Le transport actif fait passer les substance à travers une membrane à l encontre du gradient de concentration Ce transport doit dépenser de l énergie sous forme d ATP Le transport implique des protéines membranaires spécifiques Ce mécanisme permet aux cellules de maintenir des gradients de concentration différents de leur environnements. La pompe à sodium et à potassium est un type du système de transport actif

La pompe à sodium et à potassium: un cas particulier du transport actif LIQUIDE EXTRACELLULAIRE [Na + ] forte [K + ] faible Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + Na + CYTOPLASME 1 Na + [Na + ] faible [K + ] forte 2 P ADP ATP 3 P 6 5 4 P P

Comment les pompes ioniques maintiennent le potentiel de membrane? Le potentiel de membrane est la différence de potentiel électrique existant de part et d autres d une membrane (varie de -50 à -200 mv ) L énergie potentielle électrique nait de la séparation de charges opposées (gradient électrique) de part et d autre de la membrane + + + + + + + + + + + Extérieur _ Intérieur La couche cytoplasmique (interne) porte des charges négatives par rapport au liquide extracellulaire

Le gradient électrochimique La diffusion passif des ions à travers la membrane est influencée par une combinaison de 2 forces appelée le gradient électrochimique: La force chimique: énergie associée au gradient de concentrations des ions La force (ou potentiel) électrique qui produit une attraction des cations (ions +) vers l intérieur de la cellule et une attraction des anions (ions - ) vers l extérieur + + + + + + + + + + + Extérieur _ Intérieur

Facteurs qui influencent le gradient électrochimique Les macromolécules intracellulaires: au ph cellulaire, les protéines et les macromolécules portent une charge négative. Les protéines membranaires de transport ioniques: ont un effet plus marqué sur ce potentiel. On les appelle pompes électrogènes; exemple la pompe à sodium et à potassium + + + + Bilan: + + + + + + + +

Les pompes électrogènes Une pompe électrogène est une protéine de transport qui engendre un potentiel électrique de part et d autres de la membrane. la pompe à sodium et à potassium est la principale pompe électrogène des cellules animales. La principale pompe électrogène chez les végétaux, bactéries et archées et les eumycètes est la pompe à protons

La pompe à protons + LIQUIDE EXTRACELLULAIRE ATP + H + H + Pompe à Proton H + + H + CYTOPLASME + H + + H +

Le cotransport: un transport couplé par une protéine membranaire Cotransport: quand une pompe alimentée par l ATP et transportant activement un certaine soluté peut amorcer indirectement le transport d un autre soluté (transport active primaire+ transport actif secondaire) La cellule végétale utilise le gradient électrochimique engendré par sa pompe à protons pour transporter certains nutriments vers l intérieur de la cellule Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

L ATP fournit indirectement l énergie nécessaire au cotransport ATP + + H + H + H + pompe à protons H + + H + Cotransporteur de saccharose et de H+ + H + Diffusion des H + H + H + saccharose + + saccharose

III-3. Transport des macromolécules et des particules Les petits solutés et l eau diffusent vers l intérieur ou vers l extérieur de la cellule en traversant la bicouche de la membrane, pompés ou déplacés par les protéines de transport Les macromolécules comme les protéines et les polysaccharides, et les plus grosses particules traversent généralement la membrane emballées dans des vésicules. Ces processus s appellent exocytose et endocytose et exigent de l énergie vésicules

L exocytose Durant l exocytose, des vésicules de transport migrent vers la membrane plasmique fusionnent avec et déverse leur contenu à l extérieur de la cellule Beaucoup de cellules de sécrétion exportent leurs produits par exocytose (les cellules pancréatiques, intestinales, les neurones, les cellules végétales) La libération de l acétylcholine (Ach) par les neurones via le processus d exocytose

L endocytose Dans l endocytose, la cellule fait entrer des macromolécules et des particules en formant de nouvelles vésicules au niveau de sa membrane plasmique L endocytose impliquent des protéines différentes que l exocytose Une portion de la membrane s invagine et forme une poche qui s internalise pour former dans le cytoplasme une vésicule remplie de matière provenant de l extérieur de la cellules Phagocytose d une hématie par une amibe (ME). Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

Les différentes formes d endocytose Les trois formes d endocytose sont: Phagocytose ( du grec phagein, «manger» et cytos, «cellule») Pinocytose (du grec pinein, boire) Endocytose par récepteur interposé Phagocytose par récepteur interposé Pinocytose Copyright 2008 by Saunders/Elsevier. All rights reserved.

La phagocytose Au cours de la phagocytose, une cellule laisse entrer une particule en l entourant des ses pseupodoques et l «emballe» dans un sac membraneux appelé vacuole. La vacuole fusionne avec un lysosome rempli d enzymes hydrolytiques qui digèrent la particule. EXTRACELLULAR FLUID Pseudopode CYTOPLASME 1 µm Pseudopodium of amoeba nourriture ou autre particule PHAGOCYTOSE Vacuole digestive Bacterium Food vacuole Amibe ingérant une bactérie par phagocytose (MET)

La pinocytose Dans la pinocytose, la cellule absorbe des gouttelettes de lipide extracellulaire dans de minuscules vésicules. La pinocytose ne constitue pas une forme de transport sélectif Plasma membrane 0.5 µm Vésicules de pinocytose (flèche) en cours de formation dans une cellule de l épithélium d un capillaire, un petit vaisseau sanguin (MET Vesicle PINOCYTOSE

L endocytose par récepteur interposé L endocytose par récepteur interposé permet à la cellule de faire entrer rapidement de grandes quantités de substances spécifiques. Des récepteurs spécifiques membranaires sont exposées au liquide extracellulaire et peuvent lier des substances extracellulaires appelées ligands. Les protéines réceptrices viennent s agglomérer dans des zones de la membranes appelées puits tapissés dont la couche cytoplasmique (interne) est recouvertes de clathrines. Chaque puits tapissé se referme ensuite sur luimême pour former une vésicule contenant des molécules de ligands Récepteur Ligand clathrine Puits tapissé Vésicule enrobée

Une fois les substances libérées des vésicules, les récepteurs retournent à la membrane plasmique par les mêmes vésicules. Les cellules humaines utilisent le processus de l endocytose par récepteur interposé pour absorber du cholestérol et synthétiser leurs membranes et d autres stéroïdes. puits tapissé Clathrines Vésicule enrobée formée Durant l endocytose par récepteur interposé(met) Membrane plasmique 0.25 µm

Physiopathologie du transport de cholestérol Le cholestérol sous forme de complexes appelés lipoprotéines de basse densité ou LDL se lient aux récepteurs membranaires des LDL, puis pénètrent dans les cellules par endocytose. Dans l hypercholestérolémie familiale, les récepteurs des lipoprotéines sont défectueux, empêchant toute fixation à la membrane au niveau du puits. Le cholestérol s accumule dans le sang et contribue à la formation de dépôts lipidiques sur la paroi des vaisseaux sanguins, pouvant ralentir la circulation du sang.