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Les membranes et la compartimentation cellulaire

Les membranes et la compartimentation cellulaire. Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines Dynamique des molécules des membranes Fonctions des membranes Biosynthèse des protéines membranaires et sécrétion des protéines solubles. Les molécules amphiphiles.

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Les membranes et la compartimentation cellulaire

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Presentation Transcript

  1. Les membranes et la compartimentation cellulaire • Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines • Dynamique des molécules des membranes • Fonctions des membranes • Biosynthèse des protéines membranaires et sécrétion des protéines solubles

  2. Les molécules amphiphiles hydrophobe hydrophile s’associent spontanément en micelles ou en bicouches suivant le volume relatif de leurs domaines hydrophile et hydrophobe

  3. Rôles des lipides • Rôle structural : les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines • Rôle énergétique : stockage et échanges • Rôle de signalisation : à la surface des membranes

  4. Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines • 70% des protéines sont associées aux membranes • Les protéines membranaires constituent 20% de la masse protéique des cellules • Les protéines membranaires constituent 50% de la masse protéique des membranes

  5. Les acides gras palmitate oleate Chaîne aliphatique acide • Les acides gras naturels possèdent un nombre pair de carbones: C14->C24 • Certaines liaisons sont insaturées et créent un coude dans la structure

  6. Les phospholipides exemple des phosphoglycérides GLYCEROL ACIDE GRAS ACIDE GRAS ALCOOL PHOSPHATE

  7. … sont constitués d’un glycérol, H2C OH HC OH HO CH2 glycérol

  8. … de deux acides gras, O palmitate H2C (CH2)14 CH3 O C HC (CH2)7 CH CH O C (CH2)7 CH3 O HO CH2 oleate glycérol acides gras

  9. … d’un phosphate O palmitate H2C (CH2)14 CH3 O C HC (CH2)7 CH CH O C (CH2)7 CH3 O O HO P O CH2 oleate O- phosphate glycérol acides gras

  10. …et d’un alcool O palmitate H2C (CH2)14 CH3 O C HC (CH2)7 CH CH O C (CH2)7 CH3 O H3C O H3C N+ CH2 CH2 O P O CH2 oleate H3C O- alcool phosphate glycérol acides gras • la phosphatidylcholine

  11. NH3+ -OOC CH CH2 OH H3N+ CH2 CH2 OH OH OH OH H H H OH H H3C OH HO H H3C N+ CH2 CH2 OH OH CH2 CH CH2 OH H OH H3C Membrane plasmique Réticulum endoplasmique Mitochondrie Phosphatidylethanolamine Phosphatidylserine Phosphatidylcholine Phosphatidylinositol Sphingomyéline Glycolipides Cholesterol Autres 7 4 24 < 1 19 7 17 22 35 2 39 0 0 0 3 21 17 5 40 0 5 0 6 30 La diversité des phospholipides résulte de l’association de têtes polaires différentes... ethanolamine serine choline glycerol inositol proportion en %

  12. … avec des acides gras différents Nombre de carbones Nombre de doubles liaisons Laurate Myristate Palmitate Stéarate Arachidate Behenate Lignocerate Palmitoleate Oleate Linoleate Linolenate Arachidonate 12 14 16 18 20 22 24 16 18 18 18 20 0 0 0 0 0 0 0 1 1 2 3 4 • des centaines de phospholipides différents

  13. La distribution des lipides est asymétrique exemple de la membrane plasmique extérieur intérieur Phosphatidylserine Phosphatidylethanolamine Phosphatidylcholine Glycolipides 0 10 90 100 100 90 10 0

  14. La membrane plasmique

  15. HO HO C H 3 C H 3 H C C H 3 C H C H C H C C H H H C C 3 3 3 H Les membranes des cellules eucaryotes contiennent du cholestérol cholestérol ergostérol cellules animales cellules végétales

  16. Synthèse dans le foie ou apport nutritif et transport dans le sang Low-Density Lipoprotein • Le cholestérol est le précurseur des hormones stéroïdiennes Le cholestérol est indispensable

  17. Interaction des protéines avec les membranes Protéines membranaires intrinsèques Protéines membranaires périphériques Solubilisables après destruction de la membrane par des détergents Solubilisables par des moyens physico-chimiques doux (pH, concentration de sel)

  18. détergent non-ionique détergent ionique Principe d’action des détergents

  19. Le domaine transmembranaire des protéines est souvent constitué d’hélices a hydrophobes 21 acides aminés hydrophobes

  20. Identification des hélices  transmembranaires Echelle de polarité Acide aminé Energie de transfert (kcal/mole) Phe F + 3,7 Met M + 3,4 Ile I + 3,1 Leu L + 2,8 Val V + 2,6 Cys C + 2,0 Trp W + 1,9 Ala A + 1,6 Thr T + 1,2 Gly G + 1,0 Ser S + 0,6 Pro P - 0,2 Tyr Y - 0,7 His H - 3,0 Gln Q - 4,1 Asn N - 4,8 Glu E - 8,2 Lys K - 8,8 Asp D - 9,2 Arg R - 12,3 LSTTEVAMHTTTSSSVSKSYISSQTNDTHK... 4,6 Score 2,4 2,4 -2,9

  21. Dynamique des molécules des membranes • Diffusion latérale des lipides et des protéines • Transport à travers la bicouche lipidique • Réactions aux interfaces

  22. Les lipides et les protéines peuvent diffuser rapidement dans le plan de la membrane Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) t r Coefficients de diffusion latérale: Lipides 1-2 mm2/s Protéines membranaires périphériques 1 mm2/s Protéines membranaires intrinsèques 0.1-0.5 mm2/s Attachement au cytosquelette 10-4mm2/s t = r2/D

  23. Les bicouches lipidiques sont imperméables aux molécules polaires gaz • Les protéines membranaires sont indispensables pour le transport des • molécules polaires • ions

  24. Fonctions des membranes • Compartimentation Séparation de réactions chimiques incompatibles Gradients de concentration Energétique cellulaire et mitochondries • Echanges Endocytose, exocytose Transport: pompes et canaux Membrane plasmique • Communication intercellulaire Récepteurs, hormones et neurotransmetteurs Electrophysiologie

  25. La compartimentation membranaire • Pour une cellule eucaryote • Surface de la membrane plasmique 1500 mm2 • Surface des membranes internes 45 000mm2 • Surface du cytosquelette 150 000mm2

  26. Organisation du métabolisme cellulaire Appareil digestif endosomes-lysosomes hydrolyses glucose Cytosol ANAEROBIE glycolyse 2 ATP 24 kcal/mole 2 pyruvate + 6 O2 Mitochondrie AEROBIE Cycle de l’acide citrique Phosphorylation oxydative 28 ATP 336 kcal/mole 6 CO2 + 6 H2O 686 kcal/mole Excrétions

  27. Les molécules de l’énergétique cellulaire glucose ATP glycolyse pyruvate acides

  28. Structure des mitochondries Matrice: cycle de Krebs oxydation des lipides Membrane interne: phosphorylation oxydative Espace intermembranaire: transphosphorylation des nucléotides Membrane externe: filtre < 5000 Da Cytosol: glycolyse

  29. La phosphorylation oxydative Un couplage énergétique ... - 53 kcal/mole gradient de protons + 12 kcal/mole 6 protons par O réduit 3 protons par ADP phosphorylé … via un gradient de protons

  30. ATP travail mécanique flux de protons F0 ADP + Pi F1 ADP + Pi flux de protons travail mécanique ATP L ’ATPsynthase F1F0, un convertisseur d’énergie

  31. Coloration fonctionnelle des mitochondries cellule endothéliale d’artère pulmonaire de boeuf spermatozoïde de taureau

  32. Les triglycerides, forme de stockage de l’énergie adipocyte GLYCEROL ACIDE GRAS ACIDE GRAS ACIDE GRAS triacylglycerol + H2O glycerol + 3 acides gras Palmitate + O2 CO2 + HO2 2340 kcal/mole dans la mitochondrie + 129 (ADP + Pi ATP) 940 kcal/mole

  33. Fonctions des membranes • Compartimentation Séparation de réactions chimiques incompatibles Gradients de concentration Energétique cellulaire et mitochondries • Echanges Endocytose, exocytose Transport: échangeurs, pompes et canaux • Communication intercellulaire Récepteurs, hormones et neurotransmetteurs Electrophysiologie

  34. Transport de métabolites glucose Na+ 117 mM Potentiel transmembranaire - 60 mV échangeur X ? 30 mM canal pompe

  35. Microvilli de la membrane plasmique cytosquelette d’actine membrane plasmique

  36. Endocytose ou internalisation de molécules manteau protéique (clathrin coat) récepteur spécifique (protéine transmembranaire) fer sous forme de ferritine cholestérol sous forme de particule de lipoprotéine LDL

  37. Exocytose ou sécrétion cellulaire Exemple du mastocyte avant stimulation ... … après stimulation

  38. Sécrétion de protéines pulse : 1 min [3H]-leucine chasse : 20 min chasse : 3 min chasse : 90 min réticulum endoplasmique vésicules de sécrétion appareil de Golgi

  39. Fonctions des membranes • Compartimentation Séparation de réactions chimiques incompatibles Gradients de concentration Energétique cellulaire et mitochondries • Echanges Endocytose, exocytose Transport: pompes et canaux • Communication intercellulaire Récepteurs, hormones, canaux et neurotransmetteurs Electrophysiologie

  40. Le chimiotactisme gradient d’hormone (AMPc) réponse cellulaire (pseudopode) récepteur spécifique (protéine)

  41. Les bases moléculaires de la transmission nerveuse Canal régulé par un neurotransmetteur Canal régulé par la tension transmembranaire

  42. Mesure des conductances élémentaires des membranes par la technique du patch-clamp U I

  43. Structure des canaux ioniques open closed membrane Canal K+ voltage-dependant

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