La membrane cellulaire
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1 La membrane cellulaire Plan : I) Structure des membranes biologiques 1) Morphologie 2) Composition 2.1) Les lipides 2.1.1) Les différents lipides 2.1.2) Agencement 2.1.3) Mobilité 2.1.4) Fluidité 2.2) Les protéines 3) Architecture 3.1) Asymétrie 3.1.1) Face externe 3.1.2) Face interne 3.1.3) Mouvements des protéines 3.2) Notion de microdomaines II) Fonctions de la membrane 1) Transports membranaires 1.1) Les transports passifs 1.1.1) Les protéines canal 1.1.2) Les perméases et la diffusion facilitée 1.2) Le transport actif 1.2.1) Les co-transports 1.2.2) Les ATPases 2) Transport utilisant les mouvements membranaires 2.1) L'endocytose 2.1.1) La pinocytose 2.1.2) L'endocytose médiée par récepteur 2.1.3) La phagocytose 2.4) L'exocytose 3) Les échanges entre les cellules 4) Phénomènes d'adhérence cellule-cellule ou cellule-matrice 4.1) Mécanismes d'adhérence 4.2) Principales familles de molécules d'adhérence 4.2.1) Les intégrines 4.2.2) Les cadhérines 4.2.3) Les sélectines 4.2.4) Les protéines de la super famille Ig 5) Jonctions morphologiquement définies 5.1) Les jonctions gap 5.2) Les jonctions étanches 5.3) Les jonctions d'ancrage 5.4) Les jonctions à la matrice 2 La membrane cellulaire - La membrane cellulaire délimite le volume de la cellule et contrôle les échanges entre le milieu intérieur et le milieu extérieur. - Elle est extrêmement dynamique. - Elle joue un rôle fondammental dans l'interaction des cellules avec les autres cellules, la matrice extracellulaire et le milieu environnant. I) Structure des membranes biologiques 1) Morphologie - Au microscope optique : on ne voit que l'enveloppe cellulaire. - Au microscope électronique (X 100 000) : la membrane a un aspect bilaminaire. - Son épaisseur est de 6 à 10 nm. 2) Composition des membranes biologiques - Elles sont constituées d'un assemblage de lipides sous forme d'une bicouche lipidique et de protéines. - La proportion des constituants varie d'un type cellulaire à l'autre. 2.1) Les lipides - Les lipides qui constituent les membranes sont amphophiles : ils comportent une partie hydrophile et une partie hydrophobe. 2.1.1) Les différents lipides de membrane Les glycérophospholipides : - Ils comportent une partie hydrophobe, faite d'acides gras et une partie hydrophile due à un constituant polaire : glycérol + phosphate + choline ou éthanolamine ou sérine ou inositol. Les sphingolipides : Ils sont constitués d'une partie polaire comprenant un phosphate, lié à une molécule de sphingosine et une partie hydrophobe constituée d'acides gras. Le glycosyl phosphatidyl inositol (GPI) : C'est un lipide minoritaire dans la membrane, mais de fonction très importante dans la cellule. Le cholestérol : Il est constitué de plusieurs cycles et d'une chaîne latérale. Il contient des CH3 et une fonction alcool (OH). 2.1.2) Agencement des lipides dans la membrane Les groupements hydrophiles interagissent avec le milieu aqueux et les groupements hydrophobes, entre eux. La bicouche se constitue spontanément. 2.1.3) Mobilité de la membrane cytoplasmique - La double couche lipidique confère à la membrane une grande flexibilité. - Il existe plusieurs types de mouvements : - Mouvements de rotation des molécules lipidiques sur elles-mêmes. - Mouvements de translation : mouvements transversaux très rapides (1 m par s.) à l'intérieur d'une même couche. - Mouvements de flip-flop : mouvements spontanés très lents, pendant lesquels les lipides changent de couche. Ces mouvements sont permis par des protéines spécifiques, les flippases et les floppases. - Les mouvements de flip-flop sont impliqués dans les phénomènes de stress de la membrane, comme la coagulation sanguine. 3 2.1.4) Fluidité de la membrane cytoplasmique - Pour chaque membrane, il existe une température donnée à laquelle cette membrane passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide. - Cette propriété dépend des lipides : - degré de saturation des acides gras : plus les acides gras sont insaturés, plus la membrane est fluide à basse température. - longueur de la chaîne des acides gras : plus la chaîne est courte, plus la fluidité est grande - la quantité de cholestérol : le cholestérol est un agent de rigidification des membranes. - l'asymétrie dans la composition des deux couches 2.2) Les protéines - La bicouche lipidique est associée à des protéines qui lui donnent sa spécificité et ses propriétés fonctionnelles. Il existe des protéines extrinsèques et intrinsèques. - Ces protéines peuvent être étudiées par différentes techniques : - détergents (formation de micelles) - cryofracture - techniques d'immunochimie Toutes ces techniques ont permis la mise en évidence des mouvements de rotation et de translation des protéines transmembranaires : théorie de la mosaïque fluide de Singer et Nicholson. 3) Architecture de la membrane 3.1) Asymétrie de la membrane Elle dépend de l'asymétrie, de la distribution et de la nature des protéines et des lipides. Elle diffère en fonction du type cellulaire. 3.1.1) Face externe - Le glycocalyx : c'est un revêtement fibreux, constitué de l'ensemble des sucres et qui porte les antigènes de surface. - On peut le mettre en évidence en microscopies optique et électronique par différentes techniques (ruthénium, lectines). - Les sucres que l'on trouve du côté externe de la membrane sont : - des sucres à courtes chaînes fixés sur les glycoprotéines, - des glycosaminoglycannes associés aux protéines pour former les protéoglycannes - les sucres fixés directement sur les lipides pour former les glycolipides. - Certaines techniques permettent de localiser les protéines sur la membrane après avoir produit des fantômes cellulaires ou vésicules par lyse. Les vésicules peuvent se former à l'endroit (feuillet externe à l'extérieur) ou à l'envers (feuillet interne à l'extérieur). 3.1.2) La face interne de la membrane - La membrane interagit avec le cortex cellulaire qui est un élément situé sous la membrane. - Par exemple, au niveau du globule rouge, la spectrine, associée à l'actine, forme un réseau plaqué contre la face interne de la membrane grâce à une protéine de liaison, l'ankyrine. 3.1.3) Les mouvements des protéines - Les protéines présentent des mouvements de rotation sur place et de diffusion ; par exemple le mécanisme de capping des lymphocytes. 4 - Mais, les protéines sont limitées dans leurs mouvements car elles sont liées à des éléments du cytosquelette. - Elles sont aussi fixées à la matrice extracellulaire par l'intermédiaire d'autres molécules. - La matrice extracellulaire est constituée de : - protéines fibreuses, comme le collagène - glycoprotéines responsables des phénomènes d'adhérence - de glycoaminoglycannes et de protéoglycannes - Les protéines sont limitées également par les liaisons entre les cellules. - Il existe aussi des barrières de diffusion dans les épithéliums, dans les tissus contractiles, dans les tissus de soutien, dans le tissu nerveux. - Les barrières de diffusion sont constituées de complexes de jonction qui empêchent la migration libre des protéines. 3.2) Notion de microdomaines - Les microdomaines ou radeaux lipidiques sont très riches en sphingolipides, en GPI et en cholestérol, et correspondent à des territoires particuliers de la membrane cytoplasmique. - La présence de ces microdomaines fait de la membrane une mosaïque comportant des parties plus rigides que d'autres. - Ils ont été mis en évidence par marquage de protéines. II) Fonctions de la membrane 1) Le transport transmembranaire - Les petites molécules hydrophiles non chargées (les gaz), les petites molécules hydrophobes (benzène, alcool) peuvent passer spontanément, sans transporteur, par diffusion selon leur gradient de concentration. - Les molécules polaires plus volumineuses, les molécules chargées sont arrêtées. Leur passsage nécessite la présence de protéines porteuses. - Les transports passifs se font selon le gradient de concentration et les transports actifs se font contre le gradient. Il existe deux types de protéines permettant les transports transmembranaires : les protéines canal et les transporteurs. 1.1) Les transports passifs 1.1.1) Les protéines canal - Elles permettent la diffusion d'un ion et sont spécifiques. - Leur ouverture est contrôlée par différents mécanismes : la différence de potentiel membranaire, la liaison d'un ligand, des modifications mécaniques de la membrane (traction). 1.1.2) Les perméases et la diffusion facilitée - Elles permettent de faire passer des molécules non ionisées selon leur gradient de concentration et des molécules ionisées selon le gradient électrochimique. - La diffusion facilitée est un transport qui ne nécessite pas l'apport d'énergie et se fait selon le gradient de concentration ; par exemple la pénétration du glucose dans la cellule hépatique. 1.2) Les transports actifs - Ils nécessitent de l'énergie et se font contre un gradient de concentration, soit en utilisant un système de cotransport, soit en utilisant l'énergie libérée par les ATPases. 5 1.2.1) Les cotransports - Ils permettent le transport simultané de deux molécules, soit dans le même sens (symport), soit dans des sens opposés (antiports). - L'énergie libérée par le passage d'une molécule selon son gradient permet le passage de l'autre molécule contre son gradient. 1.2.2) Les ATPases - Elles fonctionnent contre le gradient de concentration et utilisent la catalyse de l'ATP en ADP comme source d'énergie. - Exemple : la pompe Na / K ATPase qui permet le maintien des concentrations de Na et de K à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. 2) Transport utilisant les mouvements membranaires 2.1) Endocytose - L'endocytose fonctionne selon trois modes différents : la pinocytose, l'endocytose médiée par récepteur et la phagocytose. 2.1.1) La pinocytose - La pinocytose permet à la cellule d'absorber du liquide extracellulaire dans lequel sont piégées des molécules. C'est un mécanisme peu spécifique. - La micropinocytose correspond à l'invagination d'une petite portion de membrane qui se referme en formant une vésicule de 100 à 150 nm. Elle se fait en continu, par l'intermédiaire des filaments d'actine - La macropinocytose nécessite le repliement d'une plus grande portion de la membrane et formation d'une vacuole. Elle est stimulée et provoquée. Elle a lieu dans les cellules endothéliales. 2.1.2) L'endocytose médiée par récepteur - L'endocytose médiée par récepteurs nécessite des récepteurs spécifiques à la molécule internalisée et d'autres molécules permettant les mouvements membranaires. - Il existe deux mécanismes d'internalisation par récepteurs : avec clathrine et avec cavéoline. Endocytose médiée par récepteur à clathrine : - La clathrine est une protéine cytoplasmique, visible en microscopie, qui possède une structure en trois branches constituant un triskellion. - C'est un mécanisme spécifique dans lequel un ligand est reconnu par un récepteur. - Lors de l'internalisation, les récepteurs se rassemblent et la clathrine se fixe sur la face intracellulaire de la membrane, par l'intermédiaire d'une protéine adaptatrice. - Une GTPase, la dynamine, permet la formation d'une vésicule qui se détache, avec récepteurs et ligand du côté interne et clathrine et protéines adaptatrices du côté externe. Endocytose médiée par la cavéoline : - La cavéoline, protéine membranaire, induit la formation de cavéoles (de diamètre inférieur à 100 nm) qui se creusent et quittent la membrane. L'isolement de la vésicule se fait par intervention d'une GTPase. 2.1.3) La phagocytose - La microphagocytose (phagocytose d'une bactérie) se rencontre chez les polynucléaires. - La macrophagocytose (phagocytose d'une autre cellule ou d'un corps étranger) se fait dans les macrophages. 6 - L'élément à phagocyter est recouvert par des molécules qui favorisent sa reconnaissance et est ensuite isolé dans une vacuole. - La transcytose permet de traverser une cellule, de favoriser les mouvements membranaires et est couplée à la phagocytose. 3) Les échanges entre les cellules : les jonctions nexus ou de type gap - On peut observer, au microscope, une diminution de taille de l'espace intercellulaire, jusqu'à 2 nm. - L'utilisation de lantanum, qui diffuse entre les cellules, permet de mettre en évidence de petits ponts qui correspondent à la présence dans la membrane, des protéines, les connexines, constituant les connexons. - Une association de 6 connexines forme un connexon. - Les connexons forment des petits canaux entre les cellules qui permettent la communication entre ces cellules. 4) Phénomènes d'adhérence cellule – cellule ou cellule – matrice - Elles sont dues à des jonctions stables ou intermittentes. - L'adhérence est réalisée grâce à des interactions homophiliques (molécules de même nature) ou hétérophiliques (molécules de natures différentes). - Les molécules d'adhérence cellulaire (Cell Adhesion Molecules, CAM) sont des glycoprotéines transmembranaires qui jouent un rôle important : - au cours du développement embryonnaire - pour la maintenance des épithéliums et la réparation tissulaire - dans certains processus pathologiques, comme l'inflammation ou le cancer. - Les molécules d'adhérence assurent : - la reconnaissance spécifique entre deux cellules ou entre cellules et MEC - la formation de contacts stables entre deux cellules ou entre une cellule et la MEC - la transmission de signaux capables de modifier le comportement de la cellule avec son environnement. - Les CAM comprennent quatre superfamilles multigéniques : les intégrines, les cadhérines, les sélectines et les protéines de type immunoglobuline. 4.1) Les intégrines - Les intégrines sont des hétérodimères composés de deux sous-unités alpha et bêta. - Elles constituent une superfamille de récepteurs de diverses molécules de la MEC : fibrinogène, fibronectine, vitronectine, collagènes .... - Elles sont toujours présentes, mais non actives et nécessitent l'intervention du Ca2+. - Les intégrines sont liées au cytosquelette et sont une des voies majeures de la transduction des signaux entre la MEC et les cellules épithéliales. - Elles interviennent dans la régulation de nombreuses fonctions cellulaires. 4.2) Les cadhérines - Ce sont des protéines transmembranaires qui vont permettre l'interaction homophilique entre les cellules. Elles sont calcium dépendantes, toujours présentes et actives. - On les trouve sur l'ensemble de la membrane et surtout au niveau des jonctions morphologiquement définies (desmogléine et desmocoline). - Les cadhérines varient d'un type cellulaire à l'autre. - Elles ont un rôle dans la morphogenèse et peuvent être utilisées par les agents pathogènes pour pénétrer dans les cellules. 7 4.3) Les sélectines - Ce sont des lectines qui vont se fixer à des motifs glucidiques portés par les glycoprotéines ou les glycolipides de la membrane. - Les sélectines ne sont exprimées en surface que dans les cellules activées et sont également calcium dépendantes. 4.4) Les molécules d'adhérence de type immunoglobuline - Les molécules de ce type sont riches en acide sialique qui permet l'adhérence cellule – cellule. Elles ne sont pas calcium dépendantes. - Ces interactions peuvent se défaire, comme dans les phénomènes d'adhérence que l'on rencontre dans les migrations lors du développement embryonnaire. - La N-CAM forme des liaisons homophiliques ou hétérophiliques. Elle intervient dans les interactions neurone – neurone et neurone – cellule gliale. Le phénomène de diapédèse met en jeu toutes ces interactions. 5) Les jonctions morphologiquement définies - Ces jonctions sont particulièrement étendues dans les épithéliums. - En fonction de leur taille, on décrit : - les macula, jonction ponctiforme - les fascia, jonction étendue - les zonula, jonction faisant tout le tour de la cellule - Certaines de ces jonctions font intervenir des protéines transmembranaires. - On trouve différents types de jonctions : 5.1) Les jonctions de type gap (nexus) Souvent sous forme de fascia qui peut se modifier. Jonction communicante. 5.2) Les jonctions étanches ou jonctions serrées ou "tight junction" - Les tight junctions se retrouvent dans les épithéliums constitués d'une seule couche de cellules. Elles se situent dans la partie haute et constituent la zonula occludens. Au microscope électronique, on a l'impression que les cellules sont fusionnées. - Il n'y a pas de fusion des membranes, mais fusion des protéines transmembranaires de chacune des cellules. - Les protéines transmembranaires que l'on rencontre appartiennent à différentes familles : - les occludines - les claudines - les JAM (molécules d'adhérence des jonctions) - Ces molécules sont en relation avec le cytosquelette intracellulaire et notamment les filaments d'actine. Elles servent donc de lien entre les éléments du cytosquelette. - Ces zonula occludens : - servent à séparer les deux domaines – basolatéral et apical – des cellules épithéliales. - empêchent le passage d'éléments entre les cellules. 5.3) Les jonctions d'ancrage - Les zonulas adherens font intervenir les filaments d'actine. - Les desmosomes font intervenir les filaments intermédiaires. 5.4) Les jonctions à la matrice - Ce sont les points de contact focaux, faisant intervenir les filaments d'actine et les hémidesmosomes, faisant intervenir les filaments intermédiaires. - Ils ont un rôle important dans la signalisation intracellulaire. 8 La membrane cellulaire - illustrations Agencement des lipides – mobilité Différents types de protéines membranaires Le glycocalix 9 Face interne de la membrane du globule rouge Différents modes de regroupement des protéines 10 Transport passif Transport actif utilisant un gradient ionique Transport actif utilisant l'ATP Différents types de transports membranaires 11 Les jonctions morphologiquement déterminées Jonction nexus ou gap junction 1. Canal ouvert (1.5 nm) entre les cellules adjacentes 2. Espace intercellulaire (2 - 4 nm) 3. Connexon composé de six sous - unités Jonction étanche ou tight junction 1. Chaîne de protéines formant une jonction étanche 2. Membranes plasmiques adjacentes Jonctions d'ancrage Zonula adherens Desmosomes et hémidesmosomes 12 Résumé des différents types de jonction sur une même cellule Les phénomènes d'adhérence : Les intégrines 13 Les cadhérines Les sélectines Les protéines du type immunoglobuline 14 Résumé des différents types d'adhérence
