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Structure et fonction de la membrane plasmique BiBiologie 11F M. E. McIntyre Structure et fonction de la membrane plasmique BiBiologie 11F M. E. McIntyre.

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1 Structure et fonction de la membrane plasmique BiBiologie 11F M. E. McIntyre Structure et fonction de la membrane plasmique BiBiologie 11F M. E. McIntyre

2 Frontière entre lintérieur et lextérieur de la cellule Contrôle des entrées et des sorties de la cellule (échanges cellulaires) Compartiments intérieurs de la cellules (organites membranaires) La surface de membrane à l'intérieur de la cellule est souvent plus grande que la surface autour de la cellule.

3 Structure de la membrane Épaisseur : 7 à 8 nm Deux feuillets visibles au microscope électronique Photographie au microscope électronique d'une membrane 1 nm (nanomètre) = 1/1000 de µm Il faudrait superposer épaisseurs de membrane pour obtenir lépaisseur dune feuille de papier.

4 Composition chimique Lipides Phospholipides Cholestérol (15% à 50% des lipides) Lipides Phospholipides Cholestérol (15% à 50% des lipides) Protéines Glucides

5 Comportement des phospholipides face à l'eau: Groupement phosphate polaire hydrophile Acides gras non polaires hydrophobes

6 Les phospholipides mélangés à leau peuvent former des liposomes, petites sphères formées dune double couche de molécules.

7 Modèle de la mosaïque fluide Deux couches de phospholipides Protéines à la surface et à travers Polysaccharides attachés aux lipides ou aux protéines Cholestérol entre les phospholipides

8 Cholestérol : rôle dans le maintien de la fluidité de la membrane LIPIDES Phospholipides (deux couches) Cholestérol (15% à 50 % du total des lipides)

9 Les acides gras insaturés sont courbés (les saturés sont rectilignes). Acide oléique (insaturé) Acide palmitique (saturé) double liaison insaturé saturé

10 Cohésion des molécules due : forces de Van Der Waals entre les acides grasVan Der Waals N.B. Les molécules de phospholipides ne sont pas liées entre elles par des liaisons covalentes Interactions hydrophobes entre acides gras Leau repousse les molécules hydrophobes qui se tassent les unes sur les autres

11 Les acides gras insaturés augmentent la fluidité de la membrane. Plus les molécules peuvent se rapprocher, plus les forces de Van Der Waals sont importantes. Cest pourquoi, par exemple, les gras saturés sont solides à la température de la pièce.

12 Mosaïque fluide : Les molécules sont ordonnées, mais se déplacent sans arrêt les unes par rapport aux autres. v ~ 2 m / s Un phospholipide donné change de position avec un autre plus dun million de fois par seconde. = cristal liquide Si une molécule de phospholipide avait la taille dune balle de ping-pong (environ 10 millions de fois plus gros), la vitesse serait de 20 m/s soit environ 70Km/h À cette échelle, une cellule aurait un diamètre denviron 200 m

13 Propriétés dune membrane de phospholipides : Peut se réparer delle-même Si la membrane est percée ou déchirée, les molécules de phospholipides qui sétaient écartées les unes des autres peuvent à nouveau se rapprocher et fermer louverture. Peut varier facilement sa taille Si on ajoute des molécules de phospholipides, celles-ci se joignent aux autres et la membrane sagrandit. Inversement, elle peut réduire sa taille si on enlève des molécules. Deux sphères peuvent fusionner pour en former une plus grande Permet à une sphère de se diviser Il suffit de resserrer léquateur dune sphère pour obtenir deux sphères.

14 Régions hydrophiles de la protéine Régions hydrophobes Les protéines sont ancrées dans la membrane par leurs portions hydrophobes

15 Expérience démontrant la mobilité des protéines de la membrane.

16 Chaînes de glucides souvent attachées aux lipides (glycolipides) ou aux protéines (glycoprotéines) Ces chaînes de glucides sont faites de divers monosaccharides. Elles sont très variables dun individu à lautre. Les groupes sanguins (système ABO) sont déterminés par 3 glycoprotéines, glycoprotéines A, B et O, qui diffèrent lune de lautre par la composition de leurs chaînes de glucides.

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18 Protéines de la membrane Transport Enzymes Récepteurs Adhérence entre les cellules Reconnaissance par le système immunitaire Enzymes Récepteurs Adhérence entre les cellules Reconnaissance par le système immunitaire

19 Beaucoup de substances pénètrent dans la cellule en passant par des protéines formant des "tunnels" à travers la membrane. Transport Certains de ces "tunnels" peuvent se fermer ou s'ouvrir. = valves nanotechnologiques

20 Canal de membrane

21 Enzymes Plusieurs enzymes sont disposées dans la membrane (le plus souvent la membrane formant les structures internes de la cellule). Les enzymes de certaines chaînes métaboliques sont parfois disposées côte à côte dans la membrane.

22 Récepteurs Les cellules communiquent entre elles par l'intermédiaire de substances chimiques appelée hormones. Hormone = substance chimique libérée par une cellule et agissant sur une autre cellule Pour agir, une hormone doit se fixer sur un récepteur. Ce récepteur, c'est souvent une protéine de la membrane. Cellule sensible à l'hormone Cellule insensible à l'hormone hormone récepteur

23 Adhérence entre les cellules Les cellules adhèrent les unes aux autres par l'intermédiaire de protéines de la membrane. Dans une tumeur cancéreuse, des anomalies à ces protéines permettent aux cellules de se détacher de la tumeur principale et d'aller former des tumeurs secondaires (métastases) ailleurs dans l'organisme.

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25 Reconnaissance par le système immunitaire Le système immunitaire doit pouvoir distinguer ses propres cellules des cellules étrangères. Lidentification des cellules se fait par la reconnaissance de glycoprotéines spécifiques à la surface des cellules : protéines CMH (complexe majeur dhistocompatibilité ) (HLA en anglais). Ces protéines sont très variables dun individu à lautre : il y en a 20 sortes différentes environ et chaque sorte peut exister en plus de 50 variétés différentes. Il ny a pas deux individus (sauf jumeaux identiques) possédant les mêmes protéines CMH. Responsables du rejet lors des greffes : le système immunitaire attaque toute cellule présentant des protéines CMH différentes de celles quil connaît (les siennes).

26 Supposons 5 protéines pouvant exister en 4 variétés différentes chacunes. En réalité, il y a plus de 20 protéines différentes qui peuvent exister en plus de 50 variétés différentes chacune. Il y a autant dindividus différents quil y a de combinaisons possibles. Combien dans ce cas? Chaque individu possède les 5 protéines différentes sur ses cellules.

27 Perméabilité sélective La double couche de lipides est perméable: Aux molécules très petites (H 2 O, CO 2, O 2 ) Aux molécules liposolubles (hydrophobes, non polaires) La double couche de lipides est imperméable: Aux grosses molécules et à la plupart des molécules polaires Aux ions (K +, Cl -, Na + )

28 Des protéines de la membrane permettent le passage de ce qui ne peut passer à travers les lipides : Forment des canaux à travers la membrane OU sassocient aux molécules à transporter et les déplacent dans la membrane

29 N.B. Ces canaux sont généralement spécifiques : une seule substance bien précise peut les traverser et aucune autre. Donc, ce n'est pas n'importe quelle substance qui peut traverser la membrane = perméabilité sélective.

30 Les canaux de la membrane sont souvent formés de plusieurs sous-unités :

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32 Les unités protéiques formant les canaux peuvent parfois modifier leur forme le canal peut s'ouvrir et se fermer

33 Canal ouvert Canal fermé

34 Exemple: canal ionique permettant le passage danions

35 Transporteurs de membrane: Certains peuvent se fermer et souvrir Sont souvent très sélectifs

36 Exemple : effet de linsuline Insuline sécrétée par le pancréas Insuline augmente la perméabilité des cellules au glucose en faisant augmenter le nombre de protéines qui transportent le glucose dans les membranes; sans insuline, les cellules sont presque imperméables au glucose (pas assez de transporteurs) Donc, insuline a pour effet de faire baisser le taux de glucose sanguin (le glucose présent dans le sang pénètre dans les cellules) Les transporteurs peuvent se faire et se défaire rapidement ==> leur nombre peut varier DONC la perméabilité de la membrane à certaines substances peut se modifier Voir Physiologic Effects of Insuline (cliquez sur le bouton « Add Glucose » dans la figure au centre de la page)Physiologic Effects of Insuline

37 Transport passif Passage de substances à travers la membrane peut se faire: Par transport passif (sans dépense dénergie) Par transport actif (avec dépense dénergie)

38 Transport passif: Diffusion simple Diffusion facilitée Osmose

39 Diffusion simple

40 Une substance diffuse suivant son gradient de concentration : de la zone la plus concentrée à la zone qui lest moins. Gradient = différence Le gradient de concentration entre deux milieux c'est la différence de concentration entre les deux milieux.

41 Comment la vitesse de diffusion sera-t-elle modifiée si : On élève la température du milieu? On augmente le gradient (la différence) de concentration ? Le nombre de canaux permettant la diffusion augmente ?

42 Quelle serait l'allure de la courbe illustrant la variation de concentration dans le compartiment de gauche en fonction du temps? A B C

43 Diffusion facilitée La diffusion se fait par lintermédiaire dune protéine de la membrane. N.B. Pas de dépense dénergie Se fait selon le gradient de concentration

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45 Osmose Côté dilué = hypotonique Côté dilué = hypotonique Côté plus concentré = hypertonique Côté plus concentré = hypertonique Membrane perméable à leau, MAIS pas au soluté

46 Leau se déplace du côté hypotonique (dilué) au côté hypertonique (concentré en soluté)

47 Losmose, cest leau qui se déplace en suivant son gradient de concentration Les molécules de soluté diminuent le nombre de molécules d'eau qui sont libres de se déplacer. L'eau se déplace de là où les molécules libres sont abondantes à là où il y en a moins. Molécules d'eau non libres Molécules d'eau libres

48 Poids de la colonne d eau Pression osmotique Pression exercée par le poids de la colonne deau (= pression hydrostatique) =

49 On peut inverser le mouvement des molécules deau en exerçant une pression supérieure à la pression osmotique = OSMOSE INVERSE Losmose inverse permet, par exemple, de dessaler leau de mer ou de concentrer le sucre dérable.

50 Globules rouges en milieu: Isotonique Hypotonique Hypertonique

51 Globules rouges en milieu hypertonique

52 Cellules d élodée en milieu hypotonique et hypertonique Milieu hypotonique État de turgescence Milieu hypertonique État de plasmolyse Que se produit-il si on plonge des fruits dans du sucre? EAU

53 SANG LIQUIDE INTERSTITIEL LIQUIDE INTRACELLULAIRE INTESTIN REINS Que se produirait-il si le sang devenait hypertonique ? Et sil devenait hypotonique ? Losmose joue un rôle important dans le déplacement des liquides dans l organisme

54 Leau traverse la membrane des cellules : En passant entre les molécules de phospholipides En passant par des canaux protéiques spécifiques aux molécules deau : les aquaporines Les aquaporines (on en connaît plus de 200 sortes différentes) sont particulièrement nombreuses dans des cellules comme celles des tubules du rein et des racines des plantes où le passage de leau joue un rôle important. Peter Agre sest mérité le Nobel de chimie 2003 pour sa découverte des aquaporines en 1988

55 Dans la membrane, les aquaporines forment des complexes de quatre canaux accolés molécules deau

56 Un poisson vivant en eau de mer est-il en milieu hypo, hyper ou isotonique? Eau (par osmose) Sel (par diffusion) Comment le poisson peut-il survivre? Leau de mer est hypertonique

57 Pourquoi peut-on conserver les aliments dans de la saumure (solution concentrée en sel) ? Lacidité (vinaigre) favorise encore plus la préservation Salage de la morue au XVIIIe siècle Tiré du Traité général des pesches, par Duhamel du Monceau, 1772 (Bibliothèque nationale du Canada)

58 On place, à gauche, 1 Mole de NaCl On place, à droite, 1 Mole de glucose Y aura-t-il osmose ? L'eau va se déplacer de droite à gauche. Pourquoi?

59 1 Mole NaCl 1 Mole Na Mole Cl - 1 Mole glucose 2 Moles de soluté1 Mole de soluté Les électrolytes ont un pouvoir osmotique (cest ce quon appelle losmolarité) plus grand que les non électrolytes

60 L'eau va-t-elle entrer ou sortir du sac? Équilibre à 0,015 Équilibre à 0,005

61 Concentrations des solutés à l'équilibre : Saccharose = 0.03 Saccharose = 0.01 Glucose = Fructose = Total = 0,05 Total = 0,03 L'eau va se déplacer de droite à gauche jusqu'à l'équilibre des concentrations ExtérieurIntérieur

62 Transport actif: Ressemble à la diffusion facilitée (nécessite un transporteur) MAIS: Transport actif: Ressemble à la diffusion facilitée (nécessite un transporteur) MAIS: Besoin d une source d énergie (ATP) Peut se faire CONTRE le gradient de concentration Indique une dépense d'énergie

63 Transport actif

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65 La pompe à sodium / potassium Il y a aussi des pompes à K +, Na +, Ca ++, H +

66 Pompe Na + / K +

67 Transport actif permet aux cellules de conserver un milieu intérieur différent du milieu extérieur:

68 3 types de protéines de transport selon la direction du transport : Uniport : une substance spécifique traverse un canal protéique (cas le plus fréquent) AA B A B A Symport : deux substances, ensemble dans la même direction (l'une ne passe pas sans l'autre, les deux doivent passer ensemble). AA B B Antiport : deux substances en sens contraire (l'une est échangée contre l'autre).

69 A B Symport : Pompe Na+ / ac. aminés dans les reins Pompe Na+ / Iode dans la glande thyroïde Pompe Na+ / ac. aminés dans les reins Pompe Na+ / Iode dans la glande thyroïde Un ion (Na + en général) diffuse en suivant son gradient de concentration. Cette diffusion permet à une substance de traverser en même temps CONTRE son gradient de concentration. Pompe à Na + / glucose (cellules de l'intestin) Le Na + traverse en suivant son gradient de concentration et le glucose le suit CONTRE son propre gradient.

70 A B Antiport Un ion (Na + en général) diffuse en suivant son gradient de concentration ou par transport actif. Ce déplacement permet à une substance de traverser en sens inverse CONTRE son gradient de concentration. Pompe Na + / Mg ++ : la diffusion du Na + dans la cellule permet l'expulsion du Mg ++ contre son gradient. Pompe Na + / K + : le transport actif du Na+ dans une direction permet le transport du K+ dans l'autre.

71 Antiport Na + / Ca ++

72 Un cas particulier de transport actif: le cotransport Ex. Transport du saccharose: 1. Transport actif de H + par la pompe à proton 2. Formation dun gradient (différence) de concentration [H + ] + et dun gradient électrique de part et dautre de la membrane

73 3- Diffusion des ions H + avec le saccharose (symporteur) Le couplage peut aussi se faire avec un antiport

74 Symport lactose / H + Antiport Na + / H + et Antiport Ca ++ / 2H + Symport proline / H + Membrane de la bactérie Escherichia coli intérieurextérieur Ensemble de pompes à protons (transporteurs actifs dions H + ) qui maintiennent le gradient de concentration en H + [H + ]

75 Transport des macromolécules Exocytose Endocytose

76 Exocytose

77 Cas particulier dendocytose : Pinocytose = endocytose dune petite gouttelette du milieu extérieur : non spécifique Phagocytose = endocytose dune grosse particule Les molécules de soluté se fixent à des récepteurs spécifiques (des protéines de la membrane). Ce mécanisme permet à la cellule daccumuler rapidement des substances extracellulaires peu concentrées. Endocytose par récepteurs interposés : très spécifique

78 Phagocytose dune bactérie par un globule blanc Phagocytose dun vieux globule rouge par un globule blanc

79 FIN


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