Thème 2 : Les protéines des jonctions serrées / corrigé

Introduction
Membrane plasmique et endomembrane constituent des structures limitantes organisées suivant un modèle
de bicouche phospholipidique dans laquelle sont enchassées des protéines. Les fonctions de ces protéines
sont diversifiées, il s’agit à partir des trois thèmes proposés de dégager quelques caractéristiques
structurales et fonctionnelles de 3 types de protéines ; ainsi le premier thème dégagera les caractéristiques
de protéines impliquées dans le fonctionnement des jonctions communicantes, le deuxième des protéines
impliquées dans les jonctions serrées et enfin le dernier thème visera à déterminer les propriétés et la
fonction probable d’une protéine.
Thème 1 : ion calcium et jonction gap.
Les parties en italiques sont des consignes méthodologiques ou des remarques.
1. Mise en évidence de l'action des ions calcium.
Étude des documents.
Figure 1 : en A, plusieurs dizaines de connexons sont vus de face. A et B révèlent qu'ils sont formés de
sous unités (6) délimitant un espace central ou canal. La présence de calcium modifie le canal qui se
réduit.
Possibilité de coller les parties B de la fig 1 en les légendant (connexon, connexine, canal ouvert, canal
fermé).
Le tableau : en présence de calcium, le diamètre interne du pore extra cellulaire est diminué de 60%
environ alors que le diamètre externe et la hauteur ne sont pas modifiés de manière significative (tenir
compte de l'incertitude sur les mesures).
Conclusion : le calcium entraîne une fermeture des connexons.
Hypothèse explicative (non exigée dans ce DS, exigible par la suite) : les connexines sont des protéines
allostériques ; le calcium les fait changer de conformation.
Transition : cette fermeture ou ouverture des connexons a-t-elle des conséquences sur le fonctionnement
de la cellule ?
2. Conséquence sur le couplage électrique de cellules liées par des jonctions gap.
Indiquer brièvement ce que permet d'étudier le dispositif utilisé :
Le dispositif expérimental permet d'étudier les conséquences électriques sur les cellules 1 et 2 de la
stimulation électrique d'une cellule 1 (c'est à dire si les variations du potentiel membranaire de la cellule 1
sont transmises à la cellule2).
Expérience 1 : La cellule 1 stimulée a un potentiel tranmembranaire de +30mV, légèrement supérieur à
celui de la cellule 2 (+20mV) : elles sont toutes deux dépolarisées, mais la dépolarisation est atténuée dans
la cellule 2. Le rapport V1/V2 est constant (0,8). Cette dépolarisation causée par la stimulation de la
cellule 1 peut être à l'origine de mouvement d'ions dans la cellule 1, mouvements transmis à la cellule 2
par des jonctions communicantes ou jonction gap.
L'introduction du calcium conduit à une multiplication par 4 de V1 et à une annulation de V2 ; le rapport
V1/V2 devient nul. La dépolarisation de la cellule 1 n'est plus transmise à la cellule 2.
Mise en relation avec les documents précédents : en présence de calcium, les connexons se ferment
(photos et tableau). Les ions, à l'origine de la dépolarisation, ne peuvent plus passer de la cellule 1 à la
cellule 2. Les deux cellules sont découplées.
Expérience 2 : une très faible quantité d'ions calcium est introduite non plus dans le milieu extra cellulaire
mais directement dans la cellule. Les résultats sont identiques à ceux de l'expérience 1. Le calcium agit
donc sur les connexons aussi bien du côté cytosolique que du côté extra cellulaire.
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Expérience 3 : le trou dans la membrane de la cellule 2 entraîne une chute de son potentiel membranaire
vers 0, la cellule communique alors directement avec le milieu extra cellulaire. Mais cette altération de la
cellule 2 est suivie d'une augmentation de la dépolarisation de la cellule1 comme dans les expériences
précédentes. La solution de calcium perfusée est très concentrée : les ions calcium ont fermé les jonctions
gap entre les cellules 1 et 2. De ce fait les perturbations ioniques qui affectent la cellule 2 lésée n'atteignent
pas la cellule1.
Ainsi, la fermeture des connexons permet de maintenir l'intégrité de la cellule 1.
Conclusion.
Les jonctions gap permettent le passage d'ions entre les cellules qu'elles relient. Les ions calcium
provoquent la fermeture de ces jonctions. Dans le cas d'un dysfonctionnement ou de la destruction d'une
cellule au sein d'un tissus, ce mécanisme s'avère être un dispositif permettant la survie des cellules
adjacentes.
Thème 2 : Les protéines des jonctions serrées / corrigé
1. Compléter les légendes du Document 2.1.
1 – cytoplasme
2 – lumière intestinale
3 – microvillosités
4 – membrane plasmique latérale
5 – jonctions serrées
6 – protéines membranaires (formant la
jonction étanche)
7 – espace intercellulaire
8 – membrane plasmique
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2. A l’aide de vos connaissances, préciser l’organisation moléculaire d’une
jonction
serrée.
Un
schéma
accompagné d’un texte est attendu.
Les membranes plasmiques des cellules
adjacentes sont maintenues associées par
des protéines membranaires disposées en
chaînes, et qui se joignent à travers l’espace
intercellulaire, permettant de sceller de manière étanche les deux membranes.
3. Quelles informations vous apporte le document 2.2
sur l’organisation des claudines 1 et 2 ? Proposer un
schéma d’interprétation.
Les claudines 1 et 2 sont de taille différente mais possèdent
chacune 4 domaines (repérés par des flèches sur le
document 2.2) hydrophobes, qui sont susceptibles de
former des segments intramembranaires. Les autres
domaines sont susceptibles d’être exposés à la surface de
la membrane, en face cytosolique ou en face extracellulaire.
4. Quelle propriété fondamentale des jonctions serrées révèle le document
2.3 ?
En A, on observe que le lanthane (dense aux électrons donc sombre sur l’image) qui
a été ajouté du côté apical est localisé uniquement autour des microvillosités et entre
les deux cellules au dessus des jonctions serrées.
En B, on observe que le lanthane qui a été ajouté du côté basal est présent entre les
deux cellules uniquement en dessous de la jonction serrée.
On en déduit que la jonction serrée confère une étanchéité aux petites molécules
comme le lanthane, qui ne peuvent donc pas passer par voie paracellulaire.
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5. A l’aide de vos connaissances, expliquer sur un exemple précis en quoi
cette propriété est importante pour les tissus épithéliaux.
Les épithéliums sont les tissus de revêtement de l’organisme : ils sont localisés à la limite entre milieu
intérieur et milieu extérieur. Les jonctions serrées jouent un rôle de barrière : elles
bloquent le
passage de substances du milieu extérieur au milieu intérieur via la voie paracellulaire et inversement.
Les échanges s’effectuent donc par voie transcellulaire.
6. Indiquer quelle(s) caractéristique(s) des protéines est (sont) mises en jeu
dans cette propriété des jonctions serrées.
Cette étanchéité est permise par l’association étroite des protéines membranaires de
deux cellules adjacentes : elle met donc en jeu la propriété des protéines de s’insérer
dans des membranes (lorsqu’elles présentent des domaines hydrophobes) et celle
d’établir entre elle des interactions les associant étroitement.
7. Analyser et interpréter les données du document 2.4.
Sur le document 2.4, on constate que plus la quantité de répresseur ajouté est faible (sur la droite de
l’image), plus la tâche sombre représentant quantitativement la synthèse de claudine 4 par la cellule
est grande. Le répresseur utilisé inhibe bien la synthèse de claudine 4 par la cellule.
Sur le graphique qui est en-dessous, on observe que plus la quantité de doxycycline ajoutée est
élevée, plus la conductance est faible (25 mS/cm² pour 10 ng/mL de doxycycline et 7,5 mS/cm² pour
0,01 ng/mL de doxycycline, avec une conductance constante et faible au-delà).
Or la conductance reflète la perméabilité ionique paracellulaire, donc la capacité des jonctions serrées
à laisser passer ou non les ions, et on nous précise que les variations de perméabilité concernent
essentiellement les ions Na+.
On nous indique par ailleurs que plus le gène de la claudine 4 s’exprime, plus l’aspect des jonctions
serrées est dense en ME.
On peut donc en déduire que la claudine 4, constitutive des jonctions serrées, est impliquée dans la
perméabilité paracellulaire aux ions Na+ et qu’elle limite cette perméabilité, alors qu’elle a peu d’effet
sur la perméabilité aux ions Cl- : il y a donc une sélectivité de cette perméabilité.
8. Expliquer pourquoi les chercheurs ont choisi de travailler sur le domaine*** et pourquoi ils
ont choisi de travailler sur la mutation K65D de la claudine 4.
Le domaine*** est hydrophile selon le profil montré par le document 2.2 : les chercheurs ont sans
doute pensé qu’en raison de cette propriété, il pouvait être localisé dans le domaine extracellulaire et
impliqué la perméabilité paracellulaire.
De plus, on constate que la mutation étudiée confère un changement de charge localement : dans
tous les cas, un radical initialement chargé + est remplacé par un radical chargé -.
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9. Interpréter ces résultats.
On nous informe que ces mutations sont sans effet sur la localisation des protéines ou sur les
transports transcellulaires. Seule la perméabilité paracellulaire peut donc être affectée.
La mutation sur la claudine 4 supprime la sélectivité de la perméabilité au Na +, on en déduit que
l’acide aminé 65 est bien impliqué dans la limitation de la perméabilité au Na +, or il est normalement
chargé + lui aussi, ce qui peut expliquer qu’il gêne le passage de Na + en raison d’une répulsion des
charges, ce qui n’est plus le cas lorsque la mutation a remplacé cet acide aminé par un autre chargé -.
Cet exemple illustre l’importance de la nature des acides aminés constitutifs d’une protéine (en
relation avec leur localisation dans la séquence) dans la réalisation de la fonction de la protéine
(relation structure I / fonction).
Eléments de correction thème3
1. La mise en évidence des caractéristiques structurales et fonctionnelles
Document 1 :
- cliché A : - Noter la densité importante de la protéine sur la surface visualisée.
Quantification possible si l’on prend en compte l’échelle : env 6000 protéines/μm2. (ce
qui parait beaucoup !). Cela traduit une spécialisation de la membrane
- Structure circulaire de la protéine, avec au centre présence d’un canal
(zone sombre) ; analogie structurale avec les pores nucléaires, les connexons.
- cliché B : - Identifier grâce à l’échelle la structure tripartite de la membrane, la
longueur de la protéine laisse penser que celle-ci est transmembranaire.
On peut émettre l’hypothèse que la protéine X est une protéine canal.
Document 2 :
Le profil d’hydrophobicité montre que les domaines homologues sont des domaines
hydrophobes ; il s’agit selon toute vraisemblance des régions transmembranaires de la
protéine ; les autres domaines correspondent aux régions de la protéine en contact avec
les milieux extracellulaire et intracellulaire. On note également la forte similitude entre
les quatre sous unités.
Les domaines M1, M2, M3 et M4 traversent la double couche lipidique, ils forment le
tunnel, lieu de passage des substances (lesquelles ?)
Document 3 :
Deux variables réunies dans une même représentation graphique : au moins deux
informations à saisir.
Compréhension du protocole ; les protéines sauvages servent de témoin :
- absence de courant lorsque la concentration en acétylcholine est inférieure à 10-6M puis
augmentation du courant pour atteindre une valeur maximale vers 10 -3M. La protéine
«sauvage» est donc sensible à l’acétylcholine ; l’existence d’un courant (ou variation de
ddp membranaire) suggère que des ions traversent la membrane sous l’action de
l’acétylcholine.
Hypothèse : la protéine X est un canal ionique dont l’ouverture est dépendante d’un
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ligand, l’acétylcholine.
- les mutants présentent le même profil que les sauvages mais les concentrations en
acétylcholine nécessaires à leur ouverture sont plus faibles ; on constate que plus le
nombre de mutations sur les protéines est important, plus les concentrations
d’acétylcholine nécessaires à leur ouverture sont faibles.
2.Diversité structurale et conséquences fonctionnelles
Document 4 :
Même en présence de faibles concentrations d’acétylcholine, la protéine canal X oscille
entre deux états, l’un fermé l’autre ouvert et permettant le passage le passage d’ions et
donc d’un courant.
On remarque également que la protéine mutée est plus souvent dans l’état ouvert que
fermé alors que c’est précisément le contraire pour la protéine sauvage.
Document 5 :
Les deux types de protéines n’ont pas les mêmes profils d’enregistrement ; l’intensité du
courant est plus forte dans le cas de la protéine X1 par rapport à X2 (variation de2 pA);
on peut en déduire que la perméabilité aux ions ou conductance de la protéine X1 est
plus grande. La différence structurale constatée affecte un acide aminé du domaine M
donc du domaine transmembranaire. Le radical de la glycine est plus petit que celui de
la leucine, on peut formuler l’hypothèse d’un encombrement plus important au niveau
du tunnel ionique : la leucine gêne le flux ionique et diminue la conductance.
Conclusion :
La protéine X est une protéine canal chimiodépendante ; son ouverture est réglée par la
liaison à l’acétylcholine. On peut la qualifier également de récepteur à l’acétylcholine ;
les documents montrent par ailleurs l’importance de la séquence en acides aminés ; des
changements ponctuels de cette séquence altèrent les propriétés du canal.
Conclusion générale
Les thèmes proposés ont permis d’aborder quelques aspects des fonctions remplies par
les protéines membranaires. Les thèmes 1 et 2 ont montré les particularités des protéines
impliquées dans des jonctions intercellulaires, celles-ci assurant un lien physiologique et
physique nécessaire au bon fonctionnement des tissus. Le thème 3 a dégagé les
particularités d’un canal ionique à ouverture réglée par un ligand. Des propriétés ont
ainsi été montrées comme l’importance de la séquence des acides aminés, les
changements de conformation, les interactions plus ou moins transitoires avec d’autres
molécules. Ces quelques aspects rendent en partie compte des fonctions attribuées à la
membrane plasmique (transport, communication, adhésion).
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