Les membranes et la compartimentation cellulaire

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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 ACIDE GRAS ACIDE GRAS
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 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

9 … 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

10 …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

11 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 %

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 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 10 90 100 100 90 10

14 La membrane plasmique

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

16 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

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

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 mm2/s Protéines membranaires périphériques 1 mm2/s Protéines membranaires intrinsèques mm2/s Attachement au cytosquelette mm2/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 mm2 Surface du cytosquelette mm2

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

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

35 Microvilli de la membrane plasmique
cytosquelette d’actine

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

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