22/09/2008 Chap V La membrane plasmique Introduction - la membrane est impliquée notamment dans la respiration et dans l’exportation des protéines. -elle constitue la cible de certains antibiotiques (ex polymyxines, agissent comme des détergents). - elle contient de nombreuses perméases (identification, lutte contre la pollution, étude du transport actif). Mise en évidence - Vésicules issues de proto (G+) -ou sphéroplastes (G-). Ces structures sont lysées dans un milieu hypotonique et les membranes sont recueillies par centrifugation différentielle : elles sont pures chez les G+, mais souvent contaminées par du LPS chez les G-. - Phénomènes de plasmolyse. Permet de visualiser la membrane des bactéries G-, mais difficilement celle des G+ (présence des acides lipoteichoïques). - Aspect en coupe ultrafine. Face interne associée à des ribosomes et au complexe F0F1 (ATPase). 1 22/09/2008 Composition chimique Les membranes purifiées contiennent : -60-70% de protéines (perméases, enz. respiratoires (cytochrome), déshydrogénases…) - 30-40% phospholipides et acides gras. • Phospholipides: phosphatidylglycérol chez les bactéries G+ non sporulantes; phosphatidyléthanolamine chez les bactéries G+ sporulantes et chez les bactéries G-; undécaprénylphosphate. (Le plus souvent, pas de phosphatidylcholine). •Acides gras: la proportion d’AG cyclique augmente en phase stationnaire ; la longueur des chaînes d’AG diminue et l’insaturation augmente à basse température (fluidité). Linéaires chez G-, à chaîne ramifiée chez G+. - environ 1% de sucres (provenant du PG, AT, LPS). - un peu de RNA (ribosomes associés à la membrane). - acides lipoteichoïque (G+). - les hopanoïdes remplacent les stérols (sauf chez les mycoplastes). Fonctions de la membrane cytoplasmique Régulation des échanges avec l’extérieur : la membrane constitue une barrière de perméabilité sélective (semi-perméabilité, transport passif et actif). Perméation ou diffusion = transport passif -Osmose (mouvement d’eau) : plasmolyse, plasmoptyse, choc osmotique. Osmose: diffusion des molécules de solvant (H2O) à travers une membrane semi perméable 2 22/09/2008 Plasmolyse et plasmoptyse (G+ et G-) Choc osmotique (G-) 3 22/09/2008 Dialyse correspond à un mouvement de perméants par diffusion simple ou facilitée (transporteur membranaire) dont la force motrice est assurée par un gradient de concentration. Diffusion simple= petites molécules hydrophobes (O2, N2 …) ou polaires non chargées (H2O, CO2, urée, glycérol …) ; elle est limitée chez les bactéries : loi de Fick: dS/dT= kA(Ce –Ci). (dS/dT= vitesse instantanée, k = constante de perméabilité, A = surface de la membrane et Ce-Ci= gradient de concentration). Vitesse relative (diffusion simple) à travers la MC 4 22/09/2008 Diffusion facilitée (V = vitesse de transport ; Km = constante de liaison du ligand) - elle implique un transporteur spécifique de la MC. - cette diffusion facilitée est fréquente dans la MC des Eucaryotes, mais rarement utilisée dans la MC des procaryotes: elle est utilisée essentiellement pour le transport du glycérol (G+ et G-), du ribitol (G+) Rappel: on l’observe également dans la membrane externe des bactéries G- (transporteur LamB pour le maltose…) Rappel: il existe une diffusion simple particulière beaucoup plus rapide pour les molécules hydrophiles par canaux protéiques: c’est le cas des porines au niveau de la membrane externe des bactéries G-. Chez les bactéries, les perméases membranaires sont souvent inductibles : cas du glycérol = diffusion facilitée : 1- un peu de glycérol pénètre dans le cytoplasme par diffusion simple, 2- il est transformé en glycérol-3-P (glycérol kinase), 3- la glycérol-3-P active le gène glpF qui code pour le transporteur du glycérol, 4- le transport du glycérol est considérablement accéléré. 5 22/09/2008 Transport passif : diffusion simple (loi de Fick) et facilitée dans le sens du gradient de concentration 6 22/09/2008 Le transport actif -la plupart des substances nutritives pénètrent par transport actif chez les bactéries, car les éléments nutritifs disponibles sont généralement très dilués. Il existe 3 types de transports actifs: - le transport peut utiliser des perméases membranaires insensibles au choc osmotique chez les bactéries G+ et G- (en utilisant la force protomotrice). - il peut utiliser des perméases membranaires sensibles au choc osmotique chez les bactéries G- exclusivement (en utilisant l’hydrolyse de l’ATP). - il peut s’effectuer par translocation de groupe (système phosphotransférase ou PTS). Contrairement aux systèmes à perméases, le système PTS est spécifique du monde bactérien et il modifie le substrat (phosphorylation). Aperçu du métabolisme bactérien et du rôle de la F0F1 ATPase membranaire. 7 22/09/2008 Chez les bactéries, le substrat énergétique est le plus souvent un glucide (glucose) ; le catabolisme aboutit d’une part à la formation de coenzymes réduits, et d’autre part à la production d’ATP. Les coenzymes réduits devront être réoxydés pour que le système fonctionne. Le catabolisme du glucose peut débuter par la glycolyse (qui passe par le fructose 1-6 biphosphate) ou par la formation de 6-phosphogluconate (voie des pentoses-P) La glycolyse s’effectue dans le cytoplasme et aboutit à la formation de pyruvate, de NAD réduit (NADH) et de 2ATP. Si le métabolisme est fermentatif, l’acide pyruvique est incomplètement oxydé et la réoxydation obligatoire des coenzymes réduits s’effectue grâce à des accepteurs terminaux d’électron organiques aboutissant à la formation d’acides organiques, d’alcools, de gaz … Si le métabolisme est oxydatif, le pyruvate est totalement oxydé en CO2 dans le cycle de Krebs (ou dans la voie des pentoses-P) avec formation de coenzymes réduits (NADH et FADH2), qui sont ensuite réoxydés dans une chaîne respiratoire fournissant de l’ATP (34 ATP) par phosphorylation oxydative Dans le cas d’un métabolisme oxydatif = respiratoire, la respiration peut être aérobie ou anaérobie chez les bactéries. Si la respiration est aérobie: l’accepteur final correspond au dioxygène, Si la respiration est anaérobie: l’accepteur final correspond à un composé inorganique (nitrate, sulfate ou carbonate) Gradient de protons et ATP 8 22/09/2008 Les perméases membranaires Définition : Protéine membranaire assurant le transport (actif) d’un substrat (externe) sans le modifier; elle est souvent inductible par le substrat, et présente une affinité pour un substrat spécifique (ou un groupe de substrat). Modèle : bêta-galactoside perméase (E. Coli) La perméase assure la reconnaissance du substrat et son transport couplé avec une source d’énergie. Propriétés du modèle : 1- on utilise un analogue structural non métabolisable : le TMG* (thiométhyl-bêta-Dgalactoside), dont l’accumulation cytoplasmique peut être quantifiée. 2- on peut identifier un transport actif en entravant la production d’énergie (poisons de la chaîne respiratoire, agents découplants). 3- on met en évidence l’inductibilité de la perméase (diffusion simple de traces de lactose) en inhibant la synthèse protéique (chloramphénicol). -le transport est actif et utilise un gradient de protons, car il est bloqué par un agent découplant. -la bêta galactoside perméase est inductible par des traces de lactose (diffusion simple), qui induisent également d’autres enzymes impliquées dans son métabolisme (bêta galactosidase et bêta galactoside transacétylase). - l’induction implique une néosynthèse de perméase, car elle est inhibée par le chloramphénicol (inhibiteur de la synthèse protéique chez les bactéries). - finalement, l’étude cinétique du transport montre que la perméase se comporte comme une enzyme: réversibilité-saturation-équilibre. 9 22/09/2008 Etude cinétique du transport médié par la bêta-galactoside perméase Etude cinétique Vitesse initiale = f ([substrat]) ou Représentation de Michaelis-Menten 1 / Vitesse initiale = f (1 / [substrat]) ou Représentation de Linewaever et Burk 10 22/09/2008 La bêta-GP est inductible par des traces de lactose (opéron lactose), puis on observe simultanément un transport actif et une diffusion passive facilitée au sein de la même perméase : 1- en absence d’énergie, seule la diffusion facilitée fonctionne tant qu’un gradient de concentration persiste (dans les deux sens) 2- en présence d’une source d’énergie, le transport devient actif: la perméase change de configuration et l’affinité pour le substrat diminue (face interne) ; de retour au niveau de la face externe, la perméase retrouve son affinité initiale. Un gradient de proton est impliqué, car en privant les bactéries d’énergie, le milieu extérieur s’alcalinise tandis que le cytoplasme s’acidifie. Transport et cotransport actif 11 22/09/2008 Cotransport actif (H+) Remarque: un cotransport actif utilisant des protons (H+) utilise simultanément un gradient de protons et un gradient de charges, tandis qu’un cotransport actif utilisant des ions Na+ utilise uniquement le gradient de charges. Les systèmes des phosphotransférases (PTS) dépendantes du phospho-énolpyruvate Propriétés générales : systèmes spécifiques du monde bactérien (G+ et G-) modifiant le substrat au cours du transport (phosphorylation). Composants du système (3 ou 4) : Enzyme I (Mg++), protéine HPr (thermostable, contient de l’histidine), complexe membranaire enzymeII/enzymeIII (Mg++). 12 22/09/2008 Internalisation du mannitol par PTS Internalisation du glucose par PTS 13 22/09/2008 Les perméases périplasmiques spécifiques des bactéries G-, elles assurent un transport actif sensible au choc osmotique (implication de protéines de liaison = binding protein (BP) périplasmiques qui fixent très fortement leur ligand). Les gènes impliqués peuvent constituer un opéron unique (histidine), ou 2 opérons (maltose ; le premier code pour MalE, MalFet MalG, tandis que le second code pour MalKet LamB). Isolée par choc osmotique, la MBP présente une très forte affinité pour le maltose. Remarque: les BP jouent un rôle important dans le chimiotactisme. Perméase sensible au choc osmotique (périplasmique) 14 22/09/2008 Cad du maltose (2 opérons) Autres rôles de la membrane plasmique - Rôle dans la respiration les enzymes respiratoires (cytochromes, déhydrogénases) sont associées à la MC - Rôle dans la néosynthèse et le transport des protéines Les exoenzymes (souvent impliquées en pathologie) -secrétées par les G+, faible PM et structure rigide -leur production est tardive (phase stationnaire), car une croissance bactérienne rapide inhibe leur synthèse. Les enzymes périplasmiques Les protéines de la membrane externe (G-) 15 22/09/2008 translocation des protéines vers le périplasme Le modèle Sec (Protéines non-repliées alors que Tat: Protéines repliées) Rôle dans la division cellulaire La membrane plasmique assure la séparation des génophores La membrane comme cible des antibiotiques (Antibiotiques polypeptidiques cycliques: polymyxine , gramicidine; perméabilisation membranaire) Conclusion La MC bactérienne présente une grande complexité : en raison de concentrations très variables et souvent très faibles des éléments nutritifs, la bactérie a du développer des systèmes de concentration très efficaces (souvent 100X) et très variés. 16