Structure et fonctions de la membrane cellulaire

La membrane plasmique Épaisseur de 7 à 8 nm Il faudrait 10 000 épaisseurs de membrane pour arriver à l’épaisseur d’une feuille de papier

Figure 10-1a 2008 3 Mercrdi 3 septembre 2007 3 Figure 10-1a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 3

ME d'une membrane 4

Frontière entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule Contrôle des entrées et des sorties de la cellule (échanges cellulaires) Compartiments intérieurs de la cellules (organites membranaires)

Autres fonctions des membranes Transport des petites molécules Canaux ioniques Maintien des propriétés électriques Médiation chimique Adhésion cellulaire Translocation des protéines Trafic vésiculaire 6

Structure de la membrane Épaisseur : 7 à 8 nm Deux feuillets visibles au microscope électronique Il faudrait superposer 10 000 épaisseurs de membrane pour obtenir l’épaisseur d’une feuille de papier. 1 nm (nanomètre) = 1/1000 de µm

a b c a. Ernest Overton, de l'université de Zurich, a donné, dans les années 1890, une première idée de la nature chimique de l'assise cellulaire externe. Overton savait que les solutés non polaires se dissolvaient plus facilement dans les solvants non polaires que dans les polaires, et que la solubilité des produits polaires était inverse. Overton en déduisit qu'une substance provenant de l'environnement et pénétrent dans une cellule devait se dissoudre d'abord dans l'assise externe de cette cellule. Il en conclut que, comme solvant, la couche externe de la cellule se comportait comme une huile. b. Gorter et Grendel (1925) - La membrane plasmique comporte une bicouche lipidique. Ces chercheurs avaient extrait les lipides d’érythrocytes humains et estimé la surface que devrait couvrir les lipides répandus a la surface de l'eau. Les érythrocytes des mammifères étant dépourvus de noyaux et d'organites cytoplasmiques, la seule structure où se trouvent des lipides est la membrane plasmique on peut donc supposer que tous les lipides extraits des cellules provenaient de leurs membranes plasmiques. Le rapport entre la surface de l'eau couverte pour les lipides extraits et la surface calculée pour les erythrocytes dont provenaient les lipides variait entre 1,8 et 2,2. Gorter et Grendel conclurent que le rapport réel était de 2:1 et que la membrane plasmique renfermait une couche bimoléculaire de lipides ou, plus simplement, une bicouche lipidique. Ils pensaient aussi que les groupements polaires de chaque couche moléculaire (ou feuillet) étaient dirigés vers l'extérieur de la bicouche (comme le montre la figure b). c. Hugh Davson et James Danielli (1935) proposèrent que la membrane plasmique était composée d'une bicouche lipidique recouverte d'une couche de protéines globulaires sur ses faces interne et externe. Ils modifièrent leur modèle au début des années 1950 pour tenir compte de la perméabilité sélective des membranes qu'ils avaient étudiées. Dans la version modifiée de leur modèl, Davson et Danielli suggéraient qu'en plus des couches protéiques interne et externe, la bicouchc lipidique étaient en outre traversée par des pores tapisses de protéines, pouvant servir de canaux pour les solutés polaires et les ions entrant et sortant de la cellule.

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

Modèle de la mosaïque fluide Mosaïque: la composition de la membrane est très hétérogène Fluide: les molécules bougent: latéralement (~107 fois/seconde), rotation et flip-flop (~ 1 fois/mois) http://coproweb.free.fr/pagphy/physioan/ch1s5.htm

Structure générale Lipides Protéines : toutes les autres fonctions Mercrdi 3 septembre 2007 Structure générale Lipides barrière imperméable aux molécules solubles Protéines : toutes les autres fonctions transport synthèse d'ATP liaison avec le cytosquelette récepteur 30% des protéines codées par le génome 11 11

La structure de la membrane Phosphoglycerides Phospholipides Sphingolipides Cerebrosides Glycolipides Gangliosides Lipides 40% Cholestérol La structure de la membrane Proteines fibrilaire Proteines 52% Proteines globulaire Proteines périphériques Proteines intramembranaires Glycolipides 8%

La membrane plasmique Fonction: Structure: Passage sélectif de substances par transport membranaire Structure: Bicouche de lipides A) phospholipide B) cholestérol C) glycolipide Protéines Cholestérol

B - Composition des membranes Phospholipides (50% des lipides en masse) Phosphatidyl choline (PC) (neutre) Phosphatidyl éthanolamine (PE) (neutre) Phosphatidyl sérine (PS) (négatif) sphingomyéline (SM) (neutre) (Phosphatidylinositol) Cholestérol Glycolipides 14

A - Propriétés générales des lipides membranaires 50 % en masse de la membrane 5.106 molécules par micron2 109 molécules pour une petite cellule Toutes sont amphiphiles (=amphophiles, =amphiphatiques) pôle hydrophile (qui aime l'eau) = polaire pôle hydrophobe (qui fuit l'eau) = non polaire 15

Bicouche de lipides cholestérol phospholipides glycolipide

I - LES LIPIDES MEMBRANAIRES Mercrdi 3 septembre 2007 I - LES LIPIDES MEMBRANAIRES Les phospholipides PC PS PE Sphingomyéline PI (phosphatidyl inositol) Le cholestérol Les glycolipides Glycosylphosphatidylinositol (GPI anchor ) is a glycolipid that can be attached to the C-terminus of a protein during posttranslational modification. It is composed of a phosphatidylinositol group linked through a carbohydrate containing linker (glucosamine and mannose glycosidically bound to the inositol residue) to the C-terminal amino acid of a mature protein. The two fatty acids within the hydrophobic phosphatidyl-inositol group anchor the protein to the cell membrane. 17 17

phospholipides Structure: Région hydrophile Tête polaire Orientée vers le milieu aqueux Région hydrophobe Queues non-polaires Orientée vers l’intérieur de la bicouche Fonctions: Fluidité de la membrane Perméabilité sélective

phospholipide Forme Acide gras saturé Acide gras insaturé Droit Croche

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

Acide oléique (insaturé) La fluidité de la membrane dépend aussi de sa teneur en acides gras insaturés. insaturé saturé Les acides gras insaturés sont courbés (les saturés sont rectilignes). double liaison Acide oléique (insaturé) Acide palmitique (saturé)

Figure 10-2 2008 22 Mercrdi 3 septembre 2007 22 Figure 10-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 22

Fig 10-2 Phospholipides les plus abondants une tête polaire deux queues hydrocarbonées hydrophobes (14 à 24 atomes de C) 1 ou 2 doubles liaisons sur une queue Fig 10-2 Phosphatidylcholine 23

Groupe polaire Queue non polaire Fig 10-2 24 Phosphatidylcholine

Fig 10-2 Phosphatidylcholine (modèle dans l'espace) 25

Figure 10-3 2008 26 Charge neutre Charge nette négative Charge neutre Mercrdi 3 septembre 2007 Figure 10-3 2008 Charge neutre Charge nette négative Charge neutre Charge neutre 26 Figure 10-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 26

Autres phospholipides Inositol phospholipides très peu abondants très importants dans la médiation chimique beaucoup d'autres … Rôle permettent l'action des protéines en solution dans ces lipides (environnement ionique, certaines enzymes cytosoliques…) 27

Les acides gras insaturés augmentent la fluidité de la membrane. Remaniement de la membrane observé chez mammifères en hibernation, poissons vivant dans de l’eau à température variable, plantes résistantes au froid et bactérie des sources chaudes (Karp, 2004)

Rôles des protéines de la membrane Transport Enzymes Récepteurs Adhérence entre les cellules Reconnaissance par le système immunitaire

Propriétés des phospholipides Réparation: Si la membrane est percée, les molécules de phospholipides séparées peuvent se rapprocher et fermer l’ouverture. Modification: Des molécules de phospholipides peuvent s’ajouter ou s’enlever pour faire varier le volume de la cellule Division: Un resserrement au centre de la cellule entraîne une division. On peut aussi joindre des cellules

Propriétés des phospholipides Perméabilité sélective: Perméable: Aux molécules liposolubles, aux très petites molécules (O2 et CO2) Imperméable: Aux grosses molécules, aux ions (K+ , Na+, Cl -)

Fig 10-6 100 nm 25 nm ME de liposome non fixés non colorés dans de l'eau congelée rapidement dans l'azote liquide Schéma de liposome largement utilisé pour l'étude des membranes Schéma de liposome largement utilisé pour l'étude des membranes 32

Mercrdi 3 septembre 2007 ME de liposome non fixés non colorés dans de l'eau congelée rapidement dans l'azote liquide Figure 10-9a 2008 33 Figure 10-9a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 33

Facteurs de la fluidité Composition en lipides et température un seul phospholipide liquide  gel : point de fusion il y a en plus du cholestérol et des glycolipides 34

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

Glycolipide Glyco pour glucide = sucre Lipide = acide gras Participe à la formation du glycocalyx Le glycocalyx est situé sur la surface externe de la membrane Fonctions: Donne une identité cellulaire Permet adhérence cellulaire

Les glycolipides Les plus asymétriques sur la face extra cellulaire uniquement surtout sur les "radeaux" Ont tendance à s'associer (par leurs chaînes longues et saturées) Addition de sucres dans la lumière du Golgi (topologiquement équivalent au milieu extra cellulaire) 5 % des lipides de la membrane 37

Les gangliosides Les plus complexes des glycolipides contiennent acide sialique  charge négative plus de 40 types différents cellules nerveuses : 5 à 10 % de la masse lipidique totale 38

Rôle des glycolipides Protection des épithéliums Charge électrique des gangliosides Processus de reconnaissance cellulaire (rôle des lectines = protéines de liaison aux sucres) Les souris mutantes déficientes en gangliosides complexes n'ont pas de grosses anomalies mais les mâles sont stériles 39

Glycolipides = point d'entrée de certaines toxines bactériennes GM1 (cf  suivante) = récepteur à la toxine cholérique Augmentation de l'AMPc intra cellulaire  sortie de Na et H2O dans l'intestin 40

Mercrdi 3 septembre 2007 Glycolipides NANA = N-acetyl neuraminic acid (charge négative) dérivent très souvent de la sérine (comme la SM) Figure 10-18 2008 41 Figure 10-18 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 41

Le cholestérol représente Fonctions: Diminuer la fluidité de la membrane Stabiliser la membrane Augmenter la résistance à la membrane. Situé entre les molécules de phospholipides de la bicouche Le cholestérol représente de 15 à 50% des lipides

Cholestérol 43 Jusqu'à une molécule par molécule de phospholipide Mercrdi 3 septembre 2007 Cholestérol Jusqu'à une molécule par molécule de phospholipide Augmente la barrière de perméabilité (diminution de la perméabilité aux petites molécules hydrosolubles) Immobilise les chaînes hydrocarbonées avoisinantes  rend la membrane moins fluide Empêche la cristallisation  inhibe les éventuels changements de phase 43 Figure 10-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 43

Cholestérol dans une bicouche lipidique Fig 10-11 Augmentation de la rigidité du début de la chaîne hydrocarbonée Cholestérol dans une bicouche lipidique 44

Composition approximative des lipides des membranes Mercrdi 3 septembre 2007 Composition approximative des lipides des membranes Table 10-1 2008 45 Table 10-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 45

Mosaïque fluide Les molécules sont ordonnées, mais se déplacent sans arrêt les unes par rapport aux autres. = cristal liquide Si une cellule mesure 20 micromètres de diamètre, alors sa circonférence est d’environ 60 micromètres. Il faudrait donc à une molécule de phospholipide qui se déplacerait en ligne droite (ce qui n’est pas du tout le cas) environ 15 secondes pur aller d’un pôle à l’autre de la cellule. Un phospholipide change de position avec un autre plus d’un million de fois par seconde. Il ne bascule d’une couche à l’autre qu’environ une fois à chaque demi-heure.

Mercrdi 3 septembre 2007 47 Figure 10-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 47

Fig 10-4 Organisation des lipides dans un environnement aqueux eg : phospholipide Organisation des lipides dans un environnement aqueux (fonction de la forme de la molécule de lipide) 48

Asymétrie des membranes (dans le GR) Mercrdi 3 septembre 2007 Asymétrie des membranes (dans le GR) Si choline, (PC ou SM)  feuillet externe Si amine primaire terminal (PE ou PS)  feuillet interne 49 49

La distribution asymétrique des lipides membranaires Membrane Surface externe Surface interne Hématies humaines Cholesterol Phosphatidyl sérine Phosphatidyl choline sphingomyéline Membrane interne de la mitochondrie Cardiolipine Réticulum endoplasmique La membrane des héematies Glycosphingolipides

Figure 10-16 2008 PC SM PE PS 51 Mercrdi 3 septembre 2007 51 Figure 10-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 51

Propriétés de la membrane plasmique Dynamique  Fluide (liaisons non covalentes) Asymétrique Mosaïque de protéines en solution dans des lipides 52

Microdomaines lipidiques de la membrane plasmique (VanMeer,G Science 2002, vol.296, p.855) Mercrdi 3 septembre 2007 Les sphingolipides et le cholestérol forment des moins fluides appelés radeaux lipidiques (B) Sous-domaines encore plus rigides enrichis en ganglioside GM1 (sphingolipid) (C) Glycérophospholipids insaturés (A) Feuillet interne (E) (VanMeer,G2002)Lipid microdomains in the plasma membrane. In an environment of unsaturated glycerophospholipids (A), sphingolipids and cholesterol form less fluid microdomains (B) called lipid rafts,which are enriched for GPI-proteins.Within these microdomains, there may be even more rigid subdomains (C)enriched for the sphingolipid ganglioside GM1 (4 ).The inner leaflet of the plasma membrane (cytosolic surface) contains microdomains (D) of unknown lipid composition that are enriched —relative to the rest of the inner leaflet environment (E)— for proteins carrying a prenyl lipid anchor.In contrast, caveolin and proteins carrying two saturated fatty acyl chains become concentrated in caveolae (F)(2,3). Lightning bolts indicate the presence of proteins in specific lipid microdomains as revealed by fluorescence resonance energy transfer.Within a specific lipid microdomain (F), acylated proteins may be segregated into subdomains (12 ). Microdomaine de composition lipidique inconnue enrichi en protéines porteuses d’un groupe lipidique prényl qui sert d’attache (D) La cavéoline et des protéines porteuses de deux chaînes acyl saturées se concentrent dans les cavéoles (F) 53 53

Protéines 3 types: Glycoprotéines: chaîne de glucose attachée sur une protéine Périphériques: placé d’un côté ou de l’autre de la bicouche Intrinsèques: traversent la bicouche de lipide

Proteines transmembranaire Proteines peripheriques

Fonctions des protéines Canal: permet le passage de certaines substances à travers la membrane Transporteur: transporte des molécules d’un côté à l’autre Récepteur: reconnaît des substances spécifiques et modifie l’activité de la cellule. Reconnaissance: donne identité cellulaire Adhérence: donne à la cellule sa forme et sa stabilité.

Importance fonctionnelle de l'asymétrie des membranes 1 - Liaison spécifique de protéines cytosoliques eg : Protéine Kinase C (PKC) nécessite la charge négative de PS pour exercer son activité 57

Importance fonctionnelle de l'asymétrie des membranes 2 - Il peut y avoir modification de la tête du phospholipide eg : phosphatidylinositol (concentré sur le feuillet cytosolique) peut être phosphorylé par une lipide-kinase (comme phosphatidylinositol kinase [PI3K]) 58

Importance fonctionnelle de l'asymétrie des membranes 1 - Protéine Kinase C (PKC) nécessite la charge négative de PS pour exercer son activité 2 - Phosphatidylinositol peut être phosphorylé par une lipide-kinase (phosphatidylinositol kinase PI3-kinase) 3 - Clivage du phospholipide (inositol phospholipide) membranaire par la phospholipase C (PLC) en générant 2 fragments 4 - Apoptose distinction entre cellule vivante et cellule morte 59

Apoptose PS qui est normalement sur la face cytosolique se transloque sur la face extracellulaire PS devient un signal pour les cellules voisines (macrophages … ) Se fait par deux mécanismes : inactivation du translocateur habituel transfert non spécifique des phospholipides dans les deux directions par l'activation d'une "scramblase" 60

Perméabilité sélective La double couche de lipides est perméable: Aux molécules très petites (H2O, CO2, O2) 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+)

Des protéines permettent le passage de ce qui ne peut pas passer à travers les lipides Forment des canaux à travers la membrane (transport passif) OU s’associent aux ions ou molécules à transporter et les déplacent dans la membrane (transport actif)

Le transport actif permet aux cellules de conserver un milieu intérieur différent du milieu extérieur Près de 40% de l’énergie dépensée sert à faire du transport actif.

Rajendran,L2005p1099 J Cell Sci 2005 p 1099 64

Fonctions de la membrane plasmique Passage sélectif de substances par transport membranaire Transport passif Transport actif Diffusion simple ou passive Osmose Pompe Exocytose Diffusion facilitée Endocytose

Figure 10-13 2008 66 Mercrdi 3 septembre 2007 66 Figure 10-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 66

Figure 10-14a 2008 67 Mercrdi 3 septembre 2007 67 Figure 10-14a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 67

News Physiol Sci 19: 39-43, 2004; doi:10.1152/nips.01505.2003 Mercrdi 3 septembre 2007 News Physiol Sci 19: 39-43, 2004; doi:10.1152/nips.01505.2003 News Physiol Sci 19: 39-43, 2004; doi:10.1152/nips.01505.2003 FIGURE 3. Top: AFM reveals sphingomyelin rafts (orange) protruding from a DOPC background (black) in a mica-supported lipid bilayer. The height of the rafts is ~7 Å. Placental alkaline phosphatase (PLAP; yellow peaks), a glycosylphosphatidylinositol-anchored protein, is shown to be almost exclusively raft associated. The bilayer is imaged under HEPES-buffered saline, and the width of the scan is ~2 µm. Figure reproduced from Ref. 14, with permission. Bottom: an interpretation of the image at top. DOPC is shown by gray headgroups, and sphingomyelin is shown by orange head groups with PLAP associated. Cholesterol is incorporated in both lipid domains and is shown by the blue insertions. 68 68

Mercrdi 3 septembre 2007 News Physiol Sci 19: 39-43, 2004; doi:10.1152/nips.01505.2003 FIGURE 2. Top: effect of cholesterol addition on lipid rafts in supported lipid bilayers imaged under HEPES-buffered saline. A: sphingomyelin/dioleolylphosphatidylcholine (DOPC; 1:1 mol/mol) bilayer containing cholesterol (~10 mol%). Water-soluble cholesterol (50 µg/ml) was added, and the system was allowed to equilibrate briefly before images were captured sequentially (B–F). All images are 4.5 x 4.5 µm; scale bar is 1 µm. The directions of the scans and the times elapsed at the end of each scan are indicated. The horizontal streaks on the images represent physical disturbances that took place as cholesterol was added. Bottom: effect of cholesterol depletion from a cholesterol-saturated supported bilayer. A: supported lipid bilayer following treatment with water-soluble cholesterol. Methyl-ß–cyclodextrin (MßCD; 20 mM) was injected while scanning (scanning progressed from bottom to top; the disturbance as the addition takes place is evident at the bottom of the scan). Initially, a high-cholesterol bilayer was evident, exhibiting no lateral heterogeneity. After ~2 min, discrete rafts were observed, and then, following further cholesterol extraction, the rafts "melted" into the surrounding fluid bilayer. Images are 3 x 3 µm; scale bar is 500 nm. Figure reproduced from Ref. 4, with permission 69 69

Figure 10-15 2008 70 Mercrdi 3 septembre 2007 70 Figure 10-15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 70

Fig 15-36 exemple de 10-15 (B) PIP2 DAG Exemple de 3 : le phospholipide est PI(4,5)P2 Les 2 fragments sont IP3 et DAG 71