Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Professeur Jean-Luc Olivier > Faculté de Médecine Jean-Luc.Olivier@medecine.uhp-nancy.fr

Interface hydrophile / Hydrophobe (1/2) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interface hydrophile / Hydrophobe (1/2) Interface hydrophile / Hydrophobe Maintien des différences de composition - entre cytosol et milieu extra- cellulaire (membrane plasmique) - entre cytosol et organelles Nécessité de transporteurs transmembranaires pour les molécules hydrophiles - Mode de transport: transports facilités ou actifs - Structure des transporteurs: canaux, pores ou autres structures Système d’importation et d’exportation de matériel biologique vers/à partir de la cellule et dans la cellule (noyau vers cytosol) Rôle biologique +++++

Interface hydrophile / Hydrophobe (2/2) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interface hydrophile / Hydrophobe (2/2) Transmission de signaux communication entre les cellules, à l’intérieur de l’organisme Ligand de l’extérieur à l’intérieur des cellules - Adaptation du comportement cellulaire - Connexion des récepteurs membranaires (protéines) à des voies de signalisation intracellulaire (enzymes, kinases) Récepteur Membrane Protéines de signalisation Effet dans la cellule Médiateurs

Transmission de signaux à travers la membrane plasmique Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Transmission de signaux à travers la membrane plasmique Membrane Membranes = source de médiateurs d’origine lipidiques pour générer les signaux intracellulaires Médiateurs Protéines de signalisation Effet dans la cellule Les membranes comportent des domaines spécialisés: groupement de différents récepteurs et de protéines de signalisation - connexions avec le cytosquelette Conclusion: Les membranes plasmiques et intracellulaires jouent rôle fondamental dans la vie (et la mort) cellulaire

Les constituants membranaires Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Les constituants membranaires Structure générale commune malgré des fonctions différentes Exemple de la membrane plasmique 1) protéines: différents modes d’association aux membranes - protéines transmembranaire - protéines périphériques Leur nature dépend du type cellulaire la cellule et des compar- timents membranaires Leur proportion (/ lipides) dépend aussi du type de la cellule 2) lipides Leur proportion dépend du type cellulaire et membranaire ~50% de la masse Plusieurs types de lipides

Les constituants membranaires: les lipides Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Les constituants membranaires: les lipides 1- Les phospholipides Glycérophospholipides - Glycérol - 2 acides gras - tête polaire phosphate + X Tri- Alcool Sphingomyélines - Sphingosine - 1 acide gras - tête polaire phosphate + choline Amino- Alcool Fonctions Alcool - Sphingosine - 1 acide gras - tête glucidique Pas de phosphate 2- Les glycolipides 3- Cholestérol : molécules polycycliques  30% des lipides membranaires indispensable

+ - Les lipides membranaires Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Les lipides membranaires La composition des membranes en lipides différent suivant l'espèce, le type de membranes, le type cellulaire etc.... membrane plasmique membrane mitochondriale PC 19 39 PE 18 27 PI 1 7 PS 8 8.5 Sph 17 0 glycolipides 10 0 cholestérol 27 + - phosphatidylcholines, - sphingomyélines, - phosphatidyléthanolamines, - phosphatidylsérines, -phosphatidylinositols Abon- dance -

Diversité des acides gras dans les glycérophospholipides Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Diversité des acides gras dans les glycérophospholipides Acides gras PC érythrocytes PE érythrocytes PS cerveau C14:0 0,6 0,3 C16:0 33,4 16,7 7,0 C18:0 14,1 8,2 43,2 C20:0 0,1 C22:0 <0,1 C18:1 w9 12,6 15,1 10,7 C20:1 w9 0,2 0,4 C18:2 w6 19,9 6,2 0,9 C18:3 w6 C20:4 w6 24,5 5,6 C18:3 w3 C20:5 w3 C22:6 w3 2,1 6,7 23,8 Acide palmitique Acide stéarique Acide oléique Acide linoléique Acide arachidonique Acide linolénique Acide eicosapentaénoïque Acide docosahexaénoïque

Les lipides des membranes cellulaires : maintien d'une asymétrie Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Les lipides des membranes cellulaires : maintien d'une asymétrie Feuillet externe interne 40 % 50 10 20 30 Phospholipides totaux Sphingo- myéline lécithine (PC) phosphatidyl éthanolamine (PE) sérine (PS) inositol (PI) lent, flipase flip- flop

Interactions cholestérol-glycérophospholipides Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interactions cholestérol-glycérophospholipides grande quantité dans la membrane plasmique : 30% des lipides tête polaire Choline partie hydrophile HO interface glycérol structure cyclique rigide partie hydrophobe "in vitro" dans les liposomes - Rigidifie les bicouches de phospholipides en phase fluide (acides gras saturés et insaturés, têtes polaires PE et PC) - Fluidifie DPPC (acide gras palmitique, tête PC)

Fluidité membranaire, cholestérol, acides gras polyinsaturés Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Fluidité membranaire, cholestérol, acides gras polyinsaturés choline P HO glycérol HO Le cholestérol limite « l’amplitude de mouvement » de la chaîne acylée (interactions hydrophobes)

Interactions cholestérol-sphingomyélines Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interactions cholestérol-sphingomyélines Interactions avec les phospholipides : interactions hydrophobes structure cyclique rigide partie hydrophobe interface partie hydrophile Choline sphingomyéline HO Le cholestérol présente une affinité pour les sphingomyélines en raison de la présence d’un acide gras saturé et de la partie hydrophobe de la sphingosine

Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (1/5) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (1/5) Les protéines transmembranaires (intrinséques) domaines riches en acides aminés apolaires formation d'hélices a NH3+ ou COO- HO- -OOC ou +3HN

Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (2/5) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (2/5) Les protéines transmembranaires (intrinséques) domaines riches en acides aminés apolaires formation d'hélices a Exemple des récepteurs à 7 segments transmembranaires « récepteurs couplés aux protéines G » membrane H1 H2 H7 H3 H4 H5 H6 Cytosol Extracellulaire C1 C2 C4 C5 COO- NH3+ E1 E2 E3 E4 Protéines G - 7 hélices a de 22-24 résidus hydrophobes - Structure ancestrale (bactériorhodopsine)

Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (3/5) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (3/5) Les protéines extrinséques: associations non covalentes aux protéines intrinséques extracellulaire extracellulaire intracellulaire intracellulaire Associations labiles: phénomène de translocation Exemple: après phosphorylation d’une protéine Translocation et association avec lysine d’une protéine intrinséque

Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (4/5) Les protéines extrinséques: associations non covalentes aux phospholipides Certaines protéines ont des domaines de reconnaissance des phosphatidyl-inositol: Domaines PH ou pleckstrine Phospholipides acides (PS ou PA ou PI) PIP3 P PH kinase Extracellulaire membrane Kinases dépendantes des phosphatidyl-inositides - lys +

Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (5/5) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Interaction lipides-protéines dans les membranes cellulaires (5/5) Les protéines extrinséques: association à la membrane par des ancres lipidiques extracellulaire intracellulaire extracellulaire intracellulaire Insertion d’une « ancre » hydrophobe dans la membrane Insertion stable ou Désinsertion possible après action d’une enzyme (phénomène de translocation)

Les protéines extrinséques (1/3) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Les protéines extrinséques (1/3) association covalente à des lipides : acides gras « ancre » lipidique C O H -N - CH2 - C - Protéine 1 14 myristoyl Glycine N-terminale Acide gras 14 carbones L’acide myristique et le farnésyl sont fixés sur la protéine au cours de sa maturation. La protéine est ensuite ancrée dans la membrane membrane CH3 CH2 - S - CH2 - CH - NH - C O OCH3 Protéine farnésyl Cys (méthyl ester) C-terminale Analogue d’acides gras: Farnésyl ou géranyl motifs isoprénes Site « consensus »: CAAX A= acides aminés hydrophobes X détermine farnésylation ou géranylation

Les protéines extrinséques (2/3) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Les protéines extrinséques (2/3) association covalente à des lipides : acides gras « ancre » lipidique membrane 16 NH - O - CH2 - CH CO 1 Protéine C O palmitoyl Ser ou Thr interne 16 NH - S - CH2 - CH CO 1 Protéine C O palmitoyl Cys interne Réversibilité: Addition de l’acide palmitique: protéine acyltransférases Délétion de l’acide palmitique: protéine thioestérases Autres acides gras possibles

Les protéines extrinséques (3/3) Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Les protéines extrinséques (3/3) association covalente à des lipides : ancre glypié CO H2N Protéine Famille de protéine Exemple : protéine du prion Mannoses Glucosamine Ethanolamine Inositol Phospho- lipase D P Phospho- lipase C Feuillet externe membrane Phospholipides

Modèle de la mosaïque fluide Modèle de la mosaïque fluide Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Modèle de la mosaïque fluide Modèle de la mosaïque fluide "mer de lipides dans laquelle nagent des protéines" Amendement au modèle : microdomaines exemple : cavéoles (protéine=cavéoline)

Amendement au modèle de la mosaïque fluide: les « radeaux » lipidiques Les membranes cellulaires : une structure essentielle à la vie cellulaire Amendement au modèle de la mosaïque fluide: les « radeaux » lipidiques Domaines riches en : Cholestérol Sphingolipides Protéines de signalisation cavéoline Extracellulaire Intracellulaire

Auto-test sur les membranes Pour télécharger le QCM, cliquer sur l’onglet