Anatomie du 23 octobre 2003

Anatomie du 23 octobre 2003.
Il y a des protéines associés de façon lâche car possibilité de séparer de la membrane : c’est la
membrane périphérique. D’autre part des protéines qui restent enchâssés dans la
membrane : 2 sortes : les protéines transmembranaires ou intrinsèque ou intégrale qui
traversent la membrane et un autre type plus récent de connaissance.
 Principes généraux concernant les protéines membranaires : Les protéines sont aussi
indispensables que les lipides pour le fonctionnement, les besoins de la cellule. Une bicouche
lipidique simple ne permet pas d’assurer échanges nécessités par besoins métaboliques de la
cellule : import/ export doivent être contrôler pour assurer la constance du milieu intérieur et
amener à l’intérieur tout ce qui est nécessaire à la cellule (ce qu’elle ne fabrique pas) et pour
exporter les déchets. Les cellules très actives métaboliquement ont plus de protéines dans
membrane que cellule inactive relativement.
1-En ordonnée c’est le pourcentage massique des protéines qui est en grisés, le reste étant des
lipides en blanc. Colonne 1 : exemple de la myéline qui contient des cellules peu actives donc
seulement 18% de protéines en masse par rapport à l’ensemble de la masse de la membrane
biologique. En 6 on voit une membrane contenant plus de protéines : c’est celle de la
mitochondrie qui a 2 membranes (interne et externe) et c’est la membrane interne dans
laquelle se trouve les chaînes de transporteurs d’électrons qui jouent un rôle dans fabrication
de l’ATP donc équivalent de la membrane des végétaux où a lieu la photosynthèse. La
membrane externe est beaucoup moins importante que l’interne donc différence entre
membrane externe composé de moitié de lipide, moitié de protéines et la membrane interne a
76% de protéines donc très actives. Le membrane interne du chloroplaste en comparaison qui
a environ la même proportion de 76% de protéines : ça sert à fabriquer l’ATP dans les 2 cas.
2-on voit 2 protéines : Les extrémités C et N terminales sont inversés dans la glycophorine
par rapport à la bande 3 donc pas de règle pour l’endroit où se trouve le C ou N terminal.
Autre différence c’est une protéine avec un seul passage et l’autre avec plusieurs passages
transmembranaires. Ici ce sont des protéines de la membrane du globule rouge et on voit qu’il
y a des glucides sur une protéine : la glycophorine.
Pas de règle pour la longueur d’un côté ou de l’autre.
3-La glycophorine : Avec un petit morceau C terminal intracytoplasmique et une grosse
partie hydrophile à l’extérieur de la cellule dont on voit les AA en blanc et en noir la
succession de sucres accrochés et certain sucres portent des charges négatives : il s’agit
d’acide neuraminique ou acide sialique qui décore certaines glycoprotéines ; ça peut avec
cette charge entré en combinaison d’interaction de charge avec autres molécules.
4-Systèmes enzymatique existant dans les polynucléaires neutrophiles ; les polynucléaires
ayant un noyau polylobé mais pas plusieurs noyaux. Ce polynucléaire neutrophile est le
premier agent de défense de l’organisme contre les bactéries et cette cellule lorsqu’elle est
alerté va réagir en produisant différents produits pour tuer les bactéries et un de ces produits
est l’anion superoxyde O2 . La NADPH oxydase est un ensemble de protéine et il peut y
avoir nécessité de rassemblement de protéines pour avoir une fonction : Quand le récepteur
est occupé par le ligand des protéines vont se coupler avec une enzyme qui va être activé.
Dans la cellule au repos il n’y a pas de bactéries, il y a des protéines membranaires comme
GP91 et lorsqu’une bactérie arrive les protéines cytoplasmiques viennent se coller, il y a
phosphorylation donc ensemble devient cohésif donc il y a production de l’anion superoxyde.
Dans la cellule il y a des principes généraux : régulation dans des limites contrôlés, principe
de la compartimentation, et voici donc des associations fonctionnelles temporaires. GP91 va
nous intéresser.
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5- GP91 a 6 passages transmembranaires et les glucides des glycoprotéines membranaires
sont toujours à l’extérieur. Les 2 extrémités N term et C term du même côté cytoplasmique de
la membrane. Le transfère d’électrons pour produire l’anion superoxyde se produit dans
l’extrémité C terminal, dans celui ci il y a un site de fixation pour NADPH, pour FAD et il y a
des transfères mono électroniques qui vont avoir lieu à travers ce circuit ; c’est la partie
terminale de GP91 avec ce passage transmembranaire qui est la machinerie nécessaire pour
former l’anion superoxyde.
Comment a t’on pu analyser les protéines transmembranaires ? On y est arrivé quand on a
découvert l’utilisation des détergents pour extraire les protéines des membranes.
5-1-Variante d’accrochage de protéine dans une membrane différente d’un passage
transmembranaire ? Il y a des protéines qui ont une partie très hydrophobe qui va les ancrer
dans une monocouche membranaire.
Sur des protéines peuvent se greffer par liaison covalente des acides gras ou des terpènes, et
ce sont eux qui vont s’enchâsser dans la monocouche et qui vont ancrer la protéine qui elle
reste à l’extérieur de la monocouche.
- Avec l’acide méristique (14 :0) et l’acide palmitique (16 :0). On sait que certaine
protéines sont amarrés à la membrane par une extrémité méristoyle parce qu’il y a une
liaison covalente entre l’acide myristique et le NH2 de la glycine : c’est une liaison
amide entre groupement carboxylique et un NH2 donc c’est solide. Avec l’acide
palmitique c’est une cystéine qui et dans la chaîne d’AA donc pas terminal donc
intramoléculaire. Ici on aura pas une amide mais une liaison Thio ester car avec un
SH, liaison plus labile que la liaison amide.
- Avec des terpènes (sans groupement carboxylique) : le farnésyle est un terpène à 15C
donc résulte de l’association de 3 isoprènes : il se fixe sur une extrémité C d’une
protéine et se fixe par une liaison covalente avec une cystéine. Mais ici il n’y a pas de
groupement carboxylique comme pour l’acide palmitique donc une liaison Thio éther
qui est plus stable que le Thio ester. Le Géranylgéranyl comporte 20 C donc
représente structures à 4 isoprènes polymérisés avec même caractéristique que terpène
précédent.
6- L’acide myristique : On voit la glycine et la liaison entre groupement carboxylique et le
NH2 de la glycine avec élimination d’eau donc on a le N myristoylglycine car liaison sur la
partie N terminale de la protéine.
L’acide palmitique avec une cystéine intramoléculaire (sans COOH mais un SH) : liaison
covalente avec élimination d’eau, c’est une liaison Thio ester.
Les 2 terpènes ont des choses communs : mode de liaison sur les cystéines et dans les 2 cas
c’est une liaison de type Thio éther. C’est donc S farnésylcystéine et S
géranylgéranylcystéine.
7-Le GPI : glycosyl phosphatidyl inositol. Il y a une protéine qui est couplée de façon
covalente avec quelque chose qui comporte du PI et il y a une partie qui est un sucre donc
c’est pas le PI simple. Retenons que certaines protéines sont amarrés à la membrane par un
bras GPI.
Ceci veut dire qu’il faut s’imaginer que ces lipides vont venir enchâsser dans la monocouche
interne et la protéine est juste à la surface membranaire du côté cytoplasmique et c’est une
situation différente des protéines dites périphériques qui sont en interaction faible avec la face
interne d’une membrane donc cas intermédiaire entre protéines périphériques et les protéines
transmembranaires.
8- Passage de l’eau dans les membranes lipidiques sans protéine (bicouche lipidique
artificielle IN VITRO) : Des entités hydrophobes passent très facilement les bicouches
lipidiques. Les petites molécules polaires non chargées : perméabilité pas négligeable :
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l’éthanol passe facilement à travers membrane lipidique donc quand on est ivre l’alcool
pénètre dans cellule nerveuse.
Grosses molécules polaires non chargés : ça passe moins bien.
Les molécules polaires chargées passent difficilement : presque imperméable pour les AA,
l’ATP, les ions qui ne passent pas la bicouche lipidique spontanément c’est pourquoi toutes
les membranes ont des pompes à sodium, calcium, etc.
8-1-Cas de l’eau : Si on prends une protéine hydrophobe, sa vitesse de traversée sera élevée
donc en haut à droite, si on prends un ion ou molécule très hydrophile ça passe plus
lentement. Il y a une bonne corrélation entre hydrophilie/hydrophobicité et la vitesse de
passage transmembranaire mais il y a une exception : l’eau.
9- On est là dans une membrane biologique : pourquoi l’eau passe si facilement ? On a
découvert l’aquaporine qui équipent nos cellules, elle est spécialisée le passe de l’eau à travers
la membrane. Il y a une sorte d’entonnoir, il y a une zone rétrécie où il y a une charge
positive : la molécule d’eau arrive et cette charge dissociée une molécule d’eau individuelle
de son réseau de liaison hydrogène donc molécules d’eau dissociées une à une pour passer
une à une dans ce système. Donc la molécule qui s’apponte présente son O (qui possède
délocalisation partielle électronique à charge -) en face de la charge positive. Ensuite la
molécule d’eau passe dans ce conduit étroit et c’est une molécule d’eau individuelle qui passe
et ensuite la molécule d’eau change de position quand elle passe dans l’autre position du
canal. C’est un système qui fait que le passage de l’eau est privilégié dans nos cellules car il
faut répondre rapidement aux variations rapides de l’osmolarité interne. Pour chaque canal
d’aquaporine il passe 3.109 molécules d’eau par seconde.
 Les détergents :
feuilles.
-25-Cas général des détergents: Voici une protéine transmembranaire. Un des éléments de la
stabilité de la bicouche lipidique c’est que les lipides qui les composent sont de nature
cylindrique et que s’il y a trop de structure coniques il y a une moins grande stabilité. Cette
protéine va donc sortir de la membrane désorganisée et va se trouvé apparemment solubilisé
avec sa partie hydrophobe entouré de molécules de détergents et quelques GPL qui reste
accroché. En solution aqueuse la molécule est individualisé mais elle n’a pas été solubilisé au
sens stricte du terme. A côté il y aura des micelles mixtes avec les molécules de détergents et
toutes les molécules de lipides qui ont étés désinsérés d’une bicouche.
Cas particulier par détergents particuliers : les détergents reposant sur le principe de l’acide
cholique ; çà concerne le cholate de sodium, le deoxycholate et le CHAPS.
-schéma : normalement les détergents regardent la partie hydrophobe de la protéine dans son
passage transmembranaire. Ceci n’est pas vrai pour les structures polycyclique (chargée
positivement ou négativement) : il y a une surface polycyclique à l’horizontal et d’un côté il y
a les OH donc il y a une surface plane avec une face hydrophile et une face hydrophobe donc
celles ci se plaquent par leurs surface hydrophobe sur les parties hydrophobes de la protéine.
-26- Surfactant physiologique : le surfactant pulmonaire. Ici c’est une alvéole. L’alvéole a
une paroi et l’air contenu dans l’alvéole. La paroi est constitué de 2 types cellulaires : les
pneumocytes de type 1 qui forment la paroi proprement dite et les pneumocytes de type 2 qui
sont spécialisés dans la fabrication du surfactant alvéolaire. A l’intérieur de l’alvéole il y a
une phase aqueuse adhérente : pellicule d’eau et donc les pneumocytes 2 fabrique un
surfactant qui chemine dans cette face aqueuse et va venir à la surface interne de l’alvéole. Il
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y a des éléments qui présentent leurs parties hydrophobes dans l’alvéole et la partie
hydrophile dans la phase aqueuse.
-27- Composition du surfactant : Il y a beaucoup de lipides et peu de protéines. On voit le
dipalmityl phosphatidyl choline : il y a donc surtout des dérivés de la choline mais ne pas
connaître vraiment la composition. Il y a du cholestérol esters et des protéines : SPA, SPB,
SPC et il faut tout ça pour faire un bon surfactant.
-28- Le rôle du surfactant : Ce système ne doit pas trop se dilater mais pas s’aplatir car les
deux parois pourraient s’accoler et ne pas se détacher donc ce surfactant limite la dilatation et
évite l’aplatissement complet de l’alvéole. Ces parties hydrophobes à l’intérieur de l’alvéole
quand elle vont se rencontrer ont un effet répulsif. Le surfactant est un agent mouillant qui
diminue la tension superficielle. Nous avons 300 millions d’alvéoles, ça fait 200m² de surface
et la paroi est 50 fois plus mince qu’une feuille de papier. Tout ceci se gonfle/dégonfle 20000
fois par jour mais il y a des cas où ça marche pas bien. En effet avant la 35ème semaine les
cellules de notre poumon ne fabriquent pas encore le surfactant correctement donc quand on a
un prématuré avant la 35ème semaine : avant il mourrait d’asphyxie et quand on a connu le
surfactant on a créer du surfactant qu’on donne au prématuré pour leur permettre de respirer et
maintenant on fait de s surfactants artificiels. On ne connaît pas encore le mécanisme
physique mais c’est une application médicale.
-29- Microdomaines membranaires (et comment ces bactéries arrivent à maintenir
constante la fluidité de leur membrane quand elles sont à température haute).
1) Puits tapissés ou puits recouvert qui est la traduction de Coated pits.
2) Les cavéoles
3) Les radeaux lipidiques ou rafts en anglais.
-30-Les puits tapissés :
Le foi fabrique des lipoprotéines VLDL dégraissés par les lipoprotéines lipases dans le sang et
donc transformés en LDL qui vont être reconnu par des récepteurs spécifiques de nos cellules.
Quand cette particule arrivent en face d’une cellule elle s’apponte grâce à son apo B-100. On
sait que ceci se fait dans des zones spécialisées pour l’internalisation de ces lipoprotéines et de
leurs récepteurs et on a découvert que ces puits sont tapissés d’assemblage de molécules qui
font une sorte de cage et qui nous rappel le terme de clathrate donc ici c’est la clathrine.
-31-Les cavéoles :
Ce sont des microdomaines tapissés par des molécules de cavéolines : protéines qui sont
enchâssés dans une monocouche (ne traverse pas la bicouche) avec un double passage. C’est
une façon d’internaliser une portion de la membrane.
-32-La transcytose :
Au niveau des cellules endothéliales, ici il y a la membrane basale, en haut l’intérieur du
vaisseau et bien il se forme une sorte de vésicule qui chemine à travers la cellule endothéliale
et va s’ouvrir de l’autre côté. Toutes les cellules ont besoin de lipoprotéines LDL parce
qu’elles leur rapporte des choses qu’elles ne fabriquent pas donc la cellule endothéliale
évidemment internalise du LDL mais la cellule endothéliale est une barrière vis à vis des
cellules qui sont derrière elles dans la paroi de l’artère. Il y a 2 façons d’ouvrir la paroi
artériel : par l’extérieur, l’adventice mais aussi on suppose par l’intérieur pour les cellules qui
sont juste derrière les cellules endothéliales par une transcytose donc on suspecte que les
cavéoles permettraient d’englober des lipoprotéines, de leur faire traverser la cellule et de
délivrer ces lipoprotéines aux cellules qui sont derrières la barrière endothéliale. Au début on
avait imaginé que les LDL traversaient la barrière endothéliale entre 2 cellules écartées mais
l’hypothèse de transcytose a retrouvé gain.
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-33- Les radeaux lipidiques ou raft.
Ce sont des radeaux lipidiques qui ont une composition particulière, d’abord il y a plus de
cholestérol, plus de sphingolipides, plus d’acides gras saturés long et ça créé un paquet de
lipides assez cohésif entre eux et plus solide que les AG insaturés avec moins de cholestérol
etc. donc ce sont des îlots de lipides. On les a découvert en travaillant avec le détergent X100. La définition des radeaux lipidiques est opérationnel : les membranologues arrivaient à
solubiliser les membranes presque complètement mais lorsqu’ils travaillaient avec du X-100 à
1% et à 4° on arrive à dissocier les membranes sauf des petits agrégats qui restent et on a vu
que dedans il y avait cette composition des rafts. En plus des lipides mentionnés, il faut
mentionner des protéines transmembranaires qui étaient des résidents permanents dans ces
zones là et dans certaines circonstances il y a des protéines voisines qui viennent se mettre
dans ce radeau lipidique pour jouer un rôle en association fonctionnel temporaire (comme
pour les protéines de la NADPH oxyade) à ses radeaux lipidiques et on sait pas vraiment à
quoi ça sert.
-34- On voit des agents infectieux qui interagissent avec la cellule au niveau des cavéoles et
des radeaux lipidiques pour induire des effets intracellulaires. C’est important car si ça se
confirme ça permettra d’avoir une meilleur compréhension de l’interaction aux agents
pathogènes et ça nous donnera des outils pour lutter contre les agents pathogènes.
-35-Adaptations membranaires aux variations de température :
Si on prends un acide gras à 40°C il est fluide mais si la température descend il va se figer
(solide) c’est la température de transition ou de changement de phase ou de fusion. Ceci est
quand la solution comporte un acide gras unique identique. S’il y a une variété d’AG : cas des
membranes, la température de fusion de chacun des AG étant différents cette zone de
transition pour une membrane va être plus étalés.
Quand la bicouche lipidique est au dessus de la température de transition c’est moins
compacte qu’au dessous de la température de transition. C’est donc une petite pellicule
relativement solide à l’extérieur mais à l’intérieur c’est quasiment de l’huile mais quand on
passe au dessous de la température de transition ça s’aligne, les interactions hydrophobes vont
augmenter et donc ça se compacte. A droite c’est un état cristallin solide (aspect solide, figé)
et à gauche on appel ça état liquide cristallin (car pas totalement fluide).
-36-Cas d’une bactérie qu’on peut cultivé à 27 ou 37° : elle s’adapte pour garder malgré le
changement de température une fluidité membranaire constante. Si on la cultive à 37° ma
viscosité de la membrane est identique qu’à 27°. Comment ça marche ? la bactérie fabrique
des AG de façons différenciés :
-37- A 10° les acides gras saturés à 22%, les AG insaturés à 64%. A 40° les AG saturés sont
devenus 56% et les AG insaturés à 21% donc inversion. Autrement dit quand la température
augmente ça entraîne une plus grande fluidité de la membrane et la bactérie qui a comprit le
signal diminue le nombre d’AG insaturés et augmente le nombre d’AG saturés
éventuellement plus long. A l’inverse quand on revient à température plus basse elle fabrique
plus d’AG insaturés et moins d’acide gras insaturés donc la composition de la membrane
varie pour garder fluidité constante. Le rapport insaturés/saturés est de 2.9 à 10° mais plus
faible quand 40° car moins d’acides gras insaturés.
-38- On voit la monocouche. Le glycérol n’est pas parallèle à la surface mais légèrement
enfouit donc si 2 AG de même longueur dans la monocouche ne se termine pas à la même
hauteur et il y a un petit espace de liberté. Une façon de combler cette espace de liberté et de
diminuer la fluidité est de mettre un 16 :0 qui comble le petit trou donc les interactions
hydrophobes se déroulent jusqu’au bout donc plus grande rigidité de membrane. Il y a donc
des permutations grâce à des enzymes. A plus forte température il y a donc 14 :0, 16 :0 mais
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la bactérie est capable d’inverser ces AG donc si elle introduit le 16 :0 sur le Carbonne 1 et le
14 :0 sur le Carbonne 2 il y a un degré de liberté plus grand donc ça va dans une structure
liquide cristalline. Le fait que glycérol soit incliné, la bactérie peut jouer sur la longueur des
AG. Donc la position des AG dans les GPL peut déjà contribuer à la fluidité. Bien sur ça se
fait dans des limites.
39- Hyperthermophiles :
Les bactéries qui vivent très bien à 121°C est la bactérie nommée souche 121 trouvé dans une
source hydrothermale au fond de l’océan et cette bactérie ne survie pas, elle vit très bien à
121° C. Ces bactéries n’ont pas d’oxygène mais sont autotrophes avec substances
inorganiques mais à température élevée il y a une pression considérable sur les membranes (2
ou 3 kms d’eau sur la tête). Dans la membrane ces bactéries fabriquent quelque chose inséré
dans les bicouches lipidiques : on a vu que la vitamine E pouvait être considéré comme une
porte coupe feu, et bien là ce sont de véritables « briques » insérés dans les bicouches
lipidiques pour donner cette résistance à chaleur et pression.
40- il y a deux diterpènes de 20 atomes de carbones qui sont condensés donc liés de façon 4-4
donc ça fait une chaîne linéaire d’hydrocarbure C40. Ces deux chaînes d’hydrocarbures sont
pontés par du glycérol par une liaison Ether-oxyde bien plus solide que liaison ester et
finalement ce Glycérol dialkyle Glycérol tétraéther est une structure très solide sur le plan
physique donc c’est un des éléments qui fait que la membrane des bactéries peut résister à des
températures et pressions élevées.
-40-1 : Aucun vivant sans membrane, sans milieu intérieur, sans compartimentation. Il y a des
théories pour comment la vie aurait commencée ? On dit que ça a forcément commencé par
des acides nucléiques et par des molécules auto multiplicatives et pourquoi pas des enzymes.
Le choix s’est porté sur les ARN car un ARN est capable d’avoir une activité enzymatique
(lunardi) ; mais les lipidologues remarquent que sans membrane la vie ne pourrait peut être
pas exister car si on imagine ces réactions qui caractérisent le vivant dilués dans un océan
sans aucune compartimentation comment faire évoluer un système de façon cohérente donc si
la vie est apparu c’est qu’il y a eu une compartimentation donc voilà l’intérêt de molécules
lipidiques soit amphiphiles qui ont formés les compartiments.
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