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 hydrophobe hydrophile s’associent spontanément en micelles ou en bicouches suivant le volume relatif de leurs domaines hydrophile et hydrophobe

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

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

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

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

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

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

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

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

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

… 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 1 2 3 4 des centaines de phospholipides différents

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

La membrane plasmique

Les membranes des cellules eucaryotes contiennent du cholestérol 3 cholestérol ergostérol cellules animales cellules végétales

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

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)

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

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

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

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

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 10-4 mm2/s t = r2/D

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Microvilli de la membrane plasmique cytosquelette d’actine

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

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

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

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

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

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

Mesure des conductances élémentaires des membranes par la technique du patch-clamp

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