CH2

UE 2 Biologie cellulaire Membrane cellulaire (I) 02/09/2013 Hicham Bouhlal UFR Médecine, Amiens hicham.bouhlal@u-­‐picardie.fr COURS UE2 2013-­‐2014 (H. BOUHLAL) •  Membrane plasmique (I): 2-­‐3 sept, 11-­‐12h et 9-­‐10h •  Membrane plasmique (II): vend 6 sept, 10-­‐12h •  Endocytose/exocytose: mar 10 sept, 8-­‐10h •  Cellules souches-­‐techniques d’analyses et applicaWons thérapeuWques: mar 3 Déc, 8-­‐10h COURS H. BOUHLAL •  Références bibliographiques: –  L’essen&el de la biologie cellulaire (Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter, Edi&on Flammarion) –  Biologie cellulaire et moléculaire (Karp, EdiWon De Boeck University) –  Biologie moléculaire de la cellule (Alberts, Johnson, Lewis, Raff Roberts, Walter, Edi&on Lavoisier) La membrane plasmique ObjecWfs du cours •  Décrire la structure des membranes biologiques des eucaryotes •  Décrire la composiWon (biochimique) des principaux consWtuants des membranes •  Décrire quelques foncWons physiologiques des membranes La membrane plasmique
La membrane p
lasmique Généralités
Généralités Procaryote (B)
Procaryote (B) •
• •
Absence d’enveloppe nucléaire,
Absence ’env. nucléoles,
nucl, Absence dednoyau,
histones,
• • Absence e noyau, (ADN,
nucléoles, Présence dednucléoïdes
protéines) histones, •  Présence de nucléoïdes (ADN, protéines) •  Gènes: sans introns (exons) •  Un seul chromosome Eucaryote
(Ch, P,(Ch, A) P, A) Eucaryote • Présence d’enveloppe
•  Présence d’env. nucl, nucléaire
• Présence
de noyau,
un ouun ou •  Présence de noyau, plusieurs
nucléoles,
ADN-ADN-­‐
plusieurs nucléoles, protéines
histones
protéines histones (nucléosome) (nucléosome)
•  Gènes: introns, exons •  Plusieurs chromosomes La membrane plasmique Généralités Procaryote (B) Absence d’un système membranaire: •  Absence de système membranaire Eucaryote (Ch, P, A) Présence d’un système membranaire: •  Membrane plasmique 700µm2 VS 7000µm2 membranes internes La membrane plasmique Généralités Ex. Staph/strepto Procaryote (B) Gram+/ Gram-­‐ Ex. E.coli, Salm, PseudoM La membrane plasmique Généralités Procaryote (B) •  Pas de comparWments cellulaire •  Pas d’organites Eucaryote (Ch, P, A) •  ComparWments, organites subcellulaires, spécialisaWon: –  Mitochondrie: métabolisme énergéWque –  REL: synthèse lipidique –  REG: synthèse protéique –  A. Golgi: glycosylaWon –  Lysosome: dégradaWon, recyclage des structures cellulaires Cellule animale Membrane cellulaire
Appareil de Golgi
Nucléole
Noyau
Réticulum
endoplasmique
lisse
Réticulum
endoplasmique
rugueux
Cytoplasme
Lysosome
Microtubule
Mitochondrie
Centrosome
Ribosome
Vacuole
La membrane plasmique composiWon et structure •  Historique: –  1972: J. S. Singer et G. L. Nicholson •  Modèle de la mosaïque fluide: membrane est organisée en bicouche mais les têtes polaires des phospholipides sont directement en contact avec l’eau •  Les protéines membranaires: flohent dans ou en surface des lipides La membrane plasmique Structure de
la membrane
plasmique
composiWon et structure •  Historique: –  2001: modèle actuel I Épaisseur : 7 à 8 nm
I Deux feuillets visibles
au microscope
électronique
-­‐ Epaisseur: 7-­‐8 nm, -­‐ Deux feuillets visibles en microscope électronique La membrane plasmique composiWon et structure •  Composi&on: 1-­‐ C’est une bicouche lipidique; phospholipides amphiphiles: -­‐ phospholipides et cholestérol (49%) = squelehe des membranes 2-­‐ Macromolécules de nature protéique et/ou glycoprotéique (43%) sont insérées ou associées à la membrane -­‐ récepteurs, transporteurs, enzymes 3-­‐ Glucides: glycophospholipides et glycoprotéines (8%) La membrane plasmique composiWon et structure –  Fine bicouche phospholipidique + cholestérol: squelehe –  Protéines ou glycoprotéines: transmembranaires ou associées –  Glucides (Glycocalyx) ahachés aux lipides ou aux protéines La membrane plasmique composiWon et structure –  Fine bicouche phospholipidique + cholestérol: squelehe –  Protéines ou glycoprotéines: transmembranaires ou associées –  Glucides (Glycocalyx) ahachés aux lipides ou aux protéines La membrane plasmique composiWon et structure •  Lipides, teneurs variables en foncWon du: •  type cellulaire –  Globule rouge: -­‐ Oligodendrocyte –  Hépatocyte: -­‐ Lipides: 40% -­‐ Glucides: 8% -­‐ Protéines: 52% -­‐ Lipides: 70% (GalCER) -­‐ Protéines: 18% -­‐  Lipides: 50% (% de la masse membranaire globale) La membrane plasmique composiWon et structure •  Lipides, teneurs variables en foncWon du: •  ComparWment/organite •  Noyau: –  35% lipides –  Rapport protéines/lipides = 2 –  Majorité des protéines •  pores nucléaires (trafic noyau – cytoplasme) (% de la masse membranaire globale) La membrane plasmique composiWon et structure •  Lipides, teneurs variables en foncWon du: •  Membrane interne/externe •  Mitochondrie: –  Interne: •  Lipides: 24% •  Majorité protéines (enzymes) –  Externe: •  lipides 40% •  Protéines 60% (% de la masse membranaire globale) Lipides membranaires • Phospholipides: –  glycérolipides –  sphingolipides • Cholestérol • Glycolipides Lipides membranaires • Phospholipides: –  glycérolipides –  sphingolipides • Cholestérol • Glycolipides Lipides membranaires •  Phospholipides: molécules amphiphiles ou amphipathiques –  Amphi sont
= double, embranaires
desphile = qui aime –  Extrémité hydrophile: polaire (groupement phosphate) s amphipathiques
–  Extrémité hydrophobe: apolaire (acide gras) •  Bicouche en milieux aqueux ement
hate polaire
phile
des gras non
ires
rophobes
embranaires Les acidesLipides grasmsont
les constituants
•  Phospholipides: clefs
des lipides
•  ConsWtuants clefs: acide gras •  Acide gras: acides carboxyliques caractérisés par une répéWWon de groupements méthylène – Ccarboxyliques
H2-­‐ formant une chaîne carbonée Les acides
gras sont
des acides
caractérisés
par une répétition
•  Longueur variable: 14-­‐20 atomes de carbone de groupements
méthylène
-CH2formant
une chaîne carbonée
•  Saturés sont linéaires ou insaturés (coude dans la structure) Liaison double Chaîne aliphatique
acide
Lipides membranaires •  Phospholipides: –  Acides gras Saturé: pas de double liaison Acide palmiWque Lipides membranaires •  Phospholipides: –  Acides gras insaturé: une ou plusieurs double liaison (=) Acide linoléique (polysaturé, oméga 6) Acide linolénique (polysaturé, oméga 3) Lipides membranaires •  Phospholipides: –  La cohésion des PL: –  Liaison de Van Der Waals La présence
d[une
–  InteracWons hydrophobes – 
double liaison est
pourla lestabilité comportement
Liaisons dimportante
oubles: influencent et fluidité de la membrane macroscopique des acides gras
è Pas de doubles liaisons: cohésion, stabilité, faible fluidité è Doubles liaisons: Moins de stabilité, forte fluidité Lipides membranaires •  Phospholipides: composiWon moléculaire •  Ex: glycérophospholipide (phosphaWdyl-­‐choline): •  Acides gras, choline, phosphate PHOSPHATE
G
L
Y
C
E
R
O
L
ACIDE GRAS
ACIDE GRAS
Glycérophospholipides
ALCOOL
Choline (alcool aminé) ont constitués d[un glycérol
Lipides membranaires •  Phospholipides: •  Structure de base: ester de glycérol + phosphate HO
H2C
OH
HC
OH
CH2
glycérol
Phosphate Glycérol-­‐PhosphaWdyl-­‐choline composé polaire hydroxylé (ex. Choline) clefs des lipides
s acides gras sont des acides
carboxyliques
caractérisés par une répétition
Lipides m
embranaires sgroupements
acides gras sont
des acides
caractérisés
par une répétition
méthylène
-CH2-carboxyliques
formant une chaîne
carbonée
groupements
méthylène -CH2- formant une chaîne carbonée
•  Phospholipides: –  Glycérol, Phosphate, Acides gras: Chaîne aliphatique
Chaîne aliphatique
acide
acide
Les acides gras naturels possèdent un nombre pair de carbones: C14->C24
Les acides gras naturels possèdent un nombre pair de carbones: C14->C2
Ils peuvent être saturés ou insaturées.
Glycérophospholipide: oleoyl-­‐palmitoyl-­‐Glycérol-­‐PhosphaWdyl-­‐choline Ils peuvent
être saturés
ou insaturées.
La
diversité
des
glycérophospholipides
Lades
diversité
des glycérophospholipides
•  Diversité des glycérophospholipides La diversité
glycérophospholipides
NH
H3N+
CH2
CH2
3
OH
-OOC
ethanolamine
+
C
H
OH
CH2
H
H
OH H
serine
OH
H3C
HC
H3C
3
N+
CH2
CH2
OH
OH
N+
CH2 H3C
H3N+
CHH2
OH
Phospha&dyl OH
OH
H
H3N+
CH2 OH
CH2
CH
2
CH2 OH
ethanolamine
HO
CH2
H
CH2
OH
NH3+
OH
NH-3
OH
H
OH NH + OOC C CH2
ethanolamine
3
H OH
C CH2 serine
inositol-OOC
-OOC
C HCH
OH
choline
glycerol
ethanolamine
CH3 HC
HC
N
HC
Phosphatidylethanolamine
(PE) pour l’éthanoamine
CH2 NH3+ H C
(PS) pour la serine
+ Phosphatidylserine
CH3
C-N-CH3
H2 H3Cla choline
CH
CH2 CH
Phosphatidylcholine (PC) pour
HC
N
CH2 Phosphatidylinositol (PI) pour l’inositol
+
+
OH
OH
H
CH
CH serine
OH OHOH CH
C
CH
H
N
H3
+ choline
glycerol
OH OH
CH OHC H-­‐C-­‐COO
CH -­‐ OH
H CH2 Phosphatidylglycérol (PG)Hpour
le glycérol
N H CCH2 choline
CH2 OHPhosphatidylethanolamine
OH
CH2 Cglycerol
OH
(PE) CH
pour2l’éthanoamine
3C
Phosphatidylserine (PS) pour la serine
Hpour la choline
O
O
O
Phosphatidylcholine (PC)
H3C
choline
glycerol
O=P-O O=P-O O=P-O
Phosphatidylinositol (PI) pour l’inositol
Phosphatidylethanolamine (PE) pour l’éthanoamine
O
Phosphatidylglycérol (PG) pour le glycérol
O
O
Phosphatidylserine (PS) pour la serine
3
+
3
+
3
3
serine 2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
3
CH2 O
CH O
C=O
C=O
CH2
glycérol Phosphatidylcholine (PC) pour la choline
Phosphatidylethanolamine (PE) pour l’éthanoamine
(PI) pour CH2
l’inositol
CH2 - CHPhosphatidylinositol
- CH2
- CH - CH2
Phosphatidylserine
(PS) pour la serine
O
OPhosphatidylglycérol (PG) pour
O le glycérol
O
Phosphatidylcholine
(PC) pour la choline
glycérol C=O
C=O
Phosphatidylinositol
(PI) pour l’inositol
C=O
C=O
glycérol OH
OH
OH H
H
OH
OH H
H
H
H
OH
HO
HO
OH
OH
OH
OH H
HHO H
OH H
H
H
H
OH H
OH Hinositol H
OH H Inositol inositol
H
OH
inositol
CH2 O
C=O
O
O=P-O
O
CH O
C=O
-
CH2
glycérol
Phosphatidylglycérol (PG) pour le glycérol
Phospha&dyl-­‐choline (PC) Phospha&dyl-­‐ethanolamine (PE) Phospha&dyl-­‐sérine (PS) Phospha&dyl-­‐ inositol (PI) La diversité
des
glycérophospholipides
Lades
diversité
des glycérophospholipides
•  Diversité des glycérophospholipides La diversité
glycérophospholipides
NH
H3N+
CH2
CH2
3
OH
-OOC
ethanolamine
+
C
H
CH2
OH OH
Phospha&dyl OH
OH
H
H
H
OH H
serine
OH
H3C
HC
H3C
3
N+
CH2
CH2
OH
OH
CH2
H3N+
H3N+
C
CHH2
CH2
CH2
H3N+ HO
CH2
CH2
OH
ethanolamine
OH
H
CH2 OH
ethanolamine
choline
glycerol
ethanolamine
CH3 HC
H C
HC
N
CH2 Phosphatidylethanolamine
(PE) pour l’éthanoamine
NH3+ H C
(PS) pour la serine
+ Phosphatidylserine
CH3
C-N-CH3
H2 H3Cla choline
CH
CH2 CH
HC
N
Phosphatidylcholine (PC) pour
CH2 Phosphatidylinositol (PI) pour l’inositol
+
OHH
CH2
NH-3
NH3+
+
OH NH3+ OOC
C
OH
CH2
OH
H OH
C CH2 serine
C HCH2
OHOH
-OOC
inositol
H
CH
CH serine
OH OHOH CH
C
CH
H
N
H3
+ choline
glycerol
OH OH
CH OHC H-­‐C-­‐COO
CH -­‐ OH
H CH2 N H CCH2 choline
CH2 OHPhosphatidylethanolamine
OH
CH2 Cglycerol
OH
(PE) CH
pour2l’éthanoamine
Phosphatidylglycérol (PG)Hpour
3C le glycérol
Phosphatidylserine (PS) pour la serine
Hpour la choline
O
O
O
Phosphatidylcholine (PC)
H3C
choline
glycerol
O=P-O O=P-O O=P-O
Phosphatidylinositol (PI) pour l’inositol
Phosphatidylethanolamine (PE) pour l’éthanoamine
O
Phosphatidylglycérol (PG) pour le glycérol
O
O
Phosphatidylserine (PS) pour la serine
3
+
3
+
3
3
-OOC
2
serine
2
2
2
3
2
2
2
2
3
CH2 O
CH O
C=O
C=O
CH2
glycérol Phosphatidylcholine (PC) pour la choline
Phosphatidylethanolamine (PE) pour l’éthanoamine
(PI) pour CH2
l’inositol
CH2 - CHPhosphatidylinositol
- CH2
- CH - CH2
Phosphatidylserine
(PS) pour la serine
O
OPhosphatidylglycérol (PG) pour
O le glycérol
O
Phosphatidylcholine
(PC) pour la choline
glycérol C=O
C=O
Phosphatidylinositol
(PI) pour l’inositol
C=O
C=O
glycérol OH
OH
OH H
H
OH
OH H
H
H
H
OH
HO
HO
OH
OH
OH
OH H
HHO H
OH H
H
H
H
OH H
OH Hinositol H
OH H Inositol inositol
H
OH
inositol
CH2 O
C=O
O
O=P-O
O
CH O
-
CH2
C=O
glycérol
Phosphatidylglycérol (PG) pour le glycérol
…avec des acides gras différents: Myristate, Palmitoleate, Linoleate, Oleate… è Des centaines de PL différents Phospha&dyl-­‐choline (PC) Phospha&dyl-­‐ethanolamine (PE) Phospha&dyl-­‐sérine (PS) Phospha&dyl-­‐ inositol (PI) •  Sphingolipide: une autre classe des lipides membranaires Phospha&dyl choline ethanolamine CH3 CH2 CH2 NH3+ CH2 CH2 + CH3 -N-CH3
O
O=P-O
O
O
O=P-O O
CH2 O
CH O
C=O
C=O
CH2
glycérol CH2 O
CH O
C=O
C=O
sérine NH3+ H-­‐C-­‐COO -­‐ CH2 O
O=P-O O
-
CH2
glycérol CH2 O
C=O
CH O
C=O
Sphingomyéline CH3 + CH3 -N-CH3
CH2 CH2 O
O=P-O O
CH2
glycérol Sphingosine: Dialcool aminé PC
PE
PS
SM
Lipides membranaires •  Phospholipides –  distribuWon asymétrique dans les feuillets membranaires 100% PC
PE
PS
SM
Feuillet externe 0%
Feuillet interne 100%
(-­‐) Erythrocyte (-­‐) Hépatocyte Lipides membranaires •  Asymétrique: importance foncWonnelle –  Phospha&dylsérine: -­‐ Rôle dans la phagocytose des cellules mortes par les macrophages è Cellule morte (apoptoWque): phosphaWdylsérine devient extracellulaire au lieu de son emplacement intracellulaire è reconnu par les récepteurs de la phagocytose des macrophageè éliminaWon è  ApplicaWon recherche: visualisaWon des cellules apoptoWques en uWlisant la protéine Annexine V ayant une forte affinité pour PS -­‐  Présent dans la monocouche interne è charge négaWve à la membrane interne è Conversion des signaux intracellulaire: orienter les protéines de signalisaWon, Ex. PKC et besoin de phospholipides (phosphaWdylsérine) à charge négaWve pour leur acWvaWon (phosphorylaWon des protéines sur thréonine, sérine) Lipides membranaires • Phospholipides: –  glycérolipides –  sphingolipides • Cholestérol • Glycolipides Lipides membranaires •  Phospholipides, cholestérol et glycolipides –  15 à 20 % du poids sec de la membrane –  Jusqu’à 1 molécule de cholestérol / 1 molécule de phospholipide –  Stérol (noyau stérane) è polycycle = rigidité + chaîne apolaire –  OH: polaire OH Polaire Stérol Apolaire Lipides membranaires •  Phospholipides, cholestérol et glycolipides Extrémité polaire (radical OH du premier cycle carbonique) Noyau central rigide Extrémité apolaire Lipides membranaires •  Phospholipides, cholestérol et glycolipides •  Rôle du cholestérol membranaire –  S’intercale entre les molécules de phospholipides –  Le noyau stéroïde: immobilise les phospholipides et stabilise les membranes Groupes polaires Régions rigidifiées par le cholestérol Région fluide –  Rigidifie la membrane plasmique, baisse la fluidité membranaire –  Diminue la perméabilité de la bicouche aux molécules hydrophiles Lipides membranaires •  Phospholipides, cholestérol et glycolipides Membrane plasmique Mitochondrie Ré&culum endoplasmique Cholestérol 17 3 6 0 PE 7 35 17 70 PS 4 2 5 trace PC 24 39 40 0 E. coli –  Absent dans les membranes procaryotes (% de en lipides) Lipides membranaires • Phospholipides: –  glycérolipides –  sphingolipides • Cholestérol • Glycolipides Lipides membranaires •  Phospholipides, cholestérol et glycolipides –  < 5% des lipides membranaires –  Semblables aux PL MAIS sans phosphate –  Synthèse dans l’appareil Golgi (différence avec PL, Cholestérol: RE) Pas de phosphate CH3
+ CH3 -N-CH3
CH2
COH2
CH2 CH
CH
-
O=P-O
O
CH - CH2
NH
C=O
Sphingomyéline OH
CH CH2
CH2
Gal
GalNac
Ac Sial
Gal
Gal
O
CH2
CH NH
C=O
Glc
OH
CH CH2
CH2
O
CH - CH2
NH
C=O
Galactocéréboside Ganglioside GM1 GL simple Récepteur de la toxine cholérique à la (Myéline, gaine des nerfs) surface de la cellule intes&nale Lipides membranaires •  Phospholipides, cholestérol et glycolipides –  Groupement oligosaccharidique: un ou plusieurs qui pointent vers l’extérieur de la membrane plasmique CH3
+ CH3
-N-CH3
CH2
COH2
CH2 CH
CH
-
O=P-O
O
CH - CH2
NH
C=O
Sphingomyéline Pas de phosphate OH
CH CH2
CH2
GalNac
Ac Sial
Gal
Gal
O
CH2
CH NH
C=O
Galactocéréboside GLP simple (Myéline, gaine des nerfs) Gal
Glc
OH
CH CH2
CH2
O
CH - CH2
NH
C=O
Ganglioside GM1-­‐GLP complexe Récepteur de la toxine cholérique à la surface de la cellule intes&nale Lipides membranaires •  Fluidité des membranes: è Les lipides sont mobiles au sein de la bicouche Diffusion latérale: Coefficient de diffusion latérale: 10-­‐8 cm2/sec Mouvement des molécules: Ex. Protéine (2µ/sec) RotaWon sur place (1011/sec) Flip flop (rare, lent) Lipides membranaires •  Les lipides sont mobiles au sein des bicouches Diffusion latérale: Coefficient de diffusion latérale: 10-­‐8 cm2/sec Flip flop RotaWon sur place (1011/sec) -­‐  Rare, lent : 1 bascule/2 semaines -­‐  Cholestérol: +++ è contrôle de la fluidité è bicouche: liquide bidimenWonnel, mosaïque fluide La membrane plasmique FoncWons •  ComparWmentaWon: séparaWon intérieur/extérieur, organites subcellulaires •  Echanges entre cellules: connexions type joncWons « gap » •  Mouvements cellulaires: pseudopodes, endocytose et exocytose •  Reconnaissance de son environnement: récepteurs à la surface •  RégulaWon des foncWons: récepteurs et signalisaWon intracellulaire •  RégulaWon du transport des ions, protéines, glucides, lipides La membrane plasmique IntroducNon#
FoncWons •  Cellule#dans#son#environnement#