ATP - La Fed

Après Cryofracture
LA MEMBRANE PLASMIQUE
•
ROLES
- interaction avec matrice extracellulaire et MP des cellules voisines
- permettre transduction de signaux
- assurer la compartimentation métabolique et chimique
COMPOSITION BIOCHIMIQUE
MP = bicouche phospholipidique + protéines + glucides
• Lipides
- Assurent la structure membranaire
- Majoritairement des PL
- Barrière au passage des molécules hydrosolubles
- Cholestérol :caractéristiques des cellules animales (MP)
• Protéines
- Assurent les fonctions des membranes : transporteurs, récepteur, enzyme..→spé du
type cellulaire
PROPRIÉTÉS DES MEMBRANES
1. ASYMÉTRIE
• liée aux lipides
- PS + PE →face cytoplasmique
- Sphingomyéline + PC →face externe
- Glycolipides →face externe
• liée aux protéines
- Reflet des 2 milieux qu’elle sépare : composition variable , domaines spécifiques
(radeaux, jonctions..), interaction avec cytosquelette, pont S-S uniquement dans MEC
2. STRUCTURE FLUIDE ET DYNAMIQUE (mosaïque fluide de Singer et Nicholson 1971)
• Dynamique :
→ diffusion latérales : lipides et protéines
→ rotation sur place : lipides et protéines
→flip flop : lipides
• Fluidité de la membrane :
- Nature des PL : degré de saturation des chaînes d’AG
- La quantité de cholestérol :son noyau stérol rigidifie la MP
- La température : son augmentation accélère les mouvements
Organisation spontanée de la bicouche lipidique
Organisation micellaire
Principaux lipides membranaires
Phosphoglycérides +++
Phospholipides
Sphingomyéline ++
Glycosyl-phosphatidyl-inositol
(ancrage des glycoprotéines)
Lipides
Cholestérol
Mouvements des molécules lipidiques
Phosphoglycérides et sphingomyéline
ASYMETRIE MEMBRANAIRE
Les Glucides
- Peu abondants : 5 - 10% de la masse
- Hydrophiles => toujours fixés :
- aux Protéines
- aux lipides
Glycoprotéines
Glycolipides
- toujours situés sur le versant extracellulaire de la MP : cf. synthèse des GP
- Rôles : multiples : adhérence, groupes sanguins (AB0), ….
Les radeaux lipidiques
cytosol
cavéoline
Avant
Trois classes de protéines membranaires
INTEGRALES
ANCREES
GPI
E
X
T
R
A
I
N
T
R
A
PERIPHERIQUES
Transmembranaires
Epingle
Cavéoline
Gpmt
Hydrophobe
Prot G
Protéines intrinsèques = intégrales + ancrées
Protéines extrinsèques = périphériques
Structures IIaires
Hélice hydrophobe :
1 - 20 à 30 AA hydrophobes
2 - Liaisons peptidiques hydrophiles INTERNES
Aujourd’hui
Six modes de fixation des protéines périphériques
Les mouvements au travers de
la membrane plasmique
Molécules
hydrophobes
Petites molécules
polaires non
chargées
grandes molécules
polaires non
chargées (> 150 Da)
Passent
Passent peu
Passent encore moins
Ne passent pas
Les différents modes de transport à travers la membrane
plasmique
- Contre un gradient de concentration ou gradient électrochimique :
« Transport actif »: nécessite de l’énergie E (Pompes)
Energie : lumière, ATP, réactions d’oxydo-réduction, transport couplé
- Selon un gradient de concentration ou gradient électrochimique :
« Transport passif »: ne nécessite pas d’énergie (Transporteurs, canaux)
TRANSPORTS MEMBRANAIRES
Deux critères d’évaluation :
- La Consommation d’énergie →T. actif ou passif
- La présence ou non d’une perméase (transporteur)
1. TRANSPORTS PASSIFS : toujours dans le sens du gradient de concentration
• sans perméase :
→Diffusion simple ex: O2, CO2, urée..
• avec perméase
→ diffusion facilitée ex : glucose (GLUT4), H2O (par aquaporine)
→ canaux ioniques : ions (+ molécules H2O) selon gradient électrochimique
- canaux ioniques potentiels dépendants : sous contrôle pot.mb.(canauxNa+, K+..),
- canaux ioniques ligands-dépendants : ouverture après fixation d’un ligand ex :
neurotransmetteur( face extracellulaire), Ca2+, ATP (face cytosolique)
- canaux K+ à rectification interne
2: TRANSPORTS ACTIFS :
→ Contre le gradient de concentration
→ Couplé à un mécanisme produisant de l’énergie
- 2 groupes selon source d’énergie utilisée :
• consommation ATP : perméase = ATPase (pompe),
ex : pompe Na+/K+, protéines MDR (multi drug resistance)
• couplage à un transport passif : co-transport
- symport : Na+/glucose
- antiport : Na+/H+
3 : TRANSPORT DES IONS RESPONSABLE DU POTENTIEL DE MEMBRANE (DE REPOS)
Transport des ions responsable gradient de concentration :
ions
cytosol
MEC
K+
139 mM
4 mM
Na+
5-15 mM
145 mM
Cl -
5-15 mM
110 mM
Ca 2+
10-4 mM
1-2 mM
Gradient ionique + pompe Na+/K+ → transport ioniques et de charges électriques
→ potentiel de membrane (cytosol - / MEC)
Les différents modes de transport à travers la MP
gradient
3-Canal
1-Pompe
ATP
2- Transporteur
ADP
Vitesse (ions/s)
100
<1000
Gradient
Contre
dans le sens*
Energie
Oui
Mod. Conform.
Oui
106
dans le sens
Non/oui*
Non
Oui
Non
*peut véhiculer un autre soluté contre le gradient
DDP au niveau de MP – Indispensable à sa survie
Cytosol
Milieu extracellulaire
K+
+++
+
Na+
+
+++
Cl
+
+++
Ca++
+ (10-7/-4M)
++
Mg2+
+
++
+ MEC
++++++ ++ + ++
DDP
bicouche
lipidique
cytosol
Conséquences:
-La cellule doit maintenir cette différence de potentiel pour vivre
(ex: rôle de la pompe Na+/K+ ATPase)
-Dépolarisation de la membrane
potentiels électriques (canaux)
- Dans les cellules animales, Na+ souvent utilisé dans les syt. de cotransport (fournit l’« énergie » pour la seconde molécule transportée)
(extracellulaire
intracellulaire)
1- Les Pompes
Energie:
• Lumière : bactéries, archéobactéries+++
pompes H+
• ATP : 3 classes de pompes fonctionnant avec l’ATP
- ATPases de type F (et V) : F0F1-ATPases et V0V1-ATPases
ions
-
ATPases de type P: ATPases E1E2
- Transporteurs ABC
protons
cations (Na+, K+; H+, Ca++)
petites molécules
Pompe de type P ou V , transporteur ABC = ATP ase
Pompe de type F = ATP synthase
1- Les Pompes
Energie :
 Lumière : bactéries, archéobactéries+++
pompes à protons
Retinal (chromophore)
lié à la bactériorhodopsine (protéine)
photons
Changement conformationnel du rétinal
Changement conformationnel
de la bacteriorhodopsine
Transport de H+ (gradient) (in out)
Energie du gradient de H+
ATP (ATP synthétase)
1- Les Pompes (ATP)
ATPases de type F: F0-F1 ATPases appelées également ATP synthases
Utilisation du gradient H+ pour synthétiser de l’ATP
Localisation : MP des bactéries, membrane interne des mitochondries, chloroplastes
Energie : oxydo-réduction (ou respiration oxydative) (mitochondries), photosynth. (chloroplastes)
Fonction :
Energie
Gradient de protons
Synthèse d’ATP
ATPases de type V : V0-V1 ATPases Pas de synthèse d’ATP
Interviennent dans l’acidification des endosomes, lysosomes
Localisation :
- Compartiments acides des cellules eucaryotes : lysosomes, endosomes, vésicules à
revêtement de clathrine, vésicules sécrétoires (v. synaptiques)…
- MP des cellules spécialisées dans la sécrétion de H+ (ostéoclastes, macrophages…)
Energie :
Fonction :
ATP
ADP + Pi
Acidification : transport de H+ dans le compartiment ou à l’extérieur
Gradient de H+: source d’énergie pour d’autres transports
Pour re-situer:
La chaîne respiratoire de la mitochondrie ou respiration oxydative
Oxydoréduction
ATP
O2
CO2
(+ H2O)
Acides aminés, sucres simples
Substrats venant du cytosol
Fatty acid: acides gras
1- Les Pompes (ATP)
ATPase V1
 A
  
B 
  

V1
H+
DE
Vph1
V0
V1 = ATPase
A
DP
+P
cytoplasme
C
H+
V0 = H+
AT
P
Lumière vacuolaire
ou M.E.C.
1- Les Pompes (ATP)
ATP synthétase F1
F1
couplage
F0
H+
  
d   b
  
   
b
ge
a
F0 = transport (H+)
F1 = synthèse de l’ATP
ATP
ADP
+P
Matrice mitochondriale
C
H+
Espace intermb
1- Les Pompes (ATP)
ATPases de type P (ATPases E1E2) : cations (Na+, K+; H+, Ca++)
- P : car se phosphorylent pendant le « pompage »(sur ac. aspartique)
-
Hydrolysent l’ATP (= énergie)
- Protéines trans-membranaires reliées structurellement (sous
unités a et parfois b)
- Rôle essentiel dans la mise en place et le maintien des
gradients ioniques (Na+, K+, H+ et Ca++) à travers la MP
•La pompe Na+/K+ = (Na+K+ ATPase)
dans toutes les cellules animales
Maintien le gradient de conc Na+/K+ de part et d’autre de la MP
• Ca++ ATPase : Maintien du gradient de Ca++
- de part et d’autre de la membrane plasmique
- dans le réticulum endoplasmique du muscle squelettique (réserve de Ca++)
 La pompe Na+/K+
Cytosol
K+
(intracellulaire)
(Na+K+ ATPase)
Milieu extracellulaire
+++
+
Na+
+
+++
Cl-
+
+++
Ca++
+ (10-7/-4M) variations locales
Mg2+
++
+
ATPase Na+ / K+
- Contre le gradient:
+
++
3Na+
nécessite de l’énergie +++
2K+
Energie ++
(ATP)
ATP
25% de l’énergie utilisée par une cellule animale !
- Entrée de Na+ dans la cellule = Force permettant de transporter d’autres
éléments (ex: glucose, ions H+)
1- Les Pompes (ATP)
Transporteurs ABC:
- Plus grande famille de transporteurs couplés à l’ATP
- ABC = ATP Binding Cassette (ABC = domaine ATPase)
-Transport d’ions et de petites molécules (AA, mono et poly-saccharides, peptides et
protéines)
- localisés dans la membrane plasmique, le réticulum endoplasmique…
Exemples de transporteurs ABC:
- Protéine MDR: Multidrug resistance ( dans les cellules tumorales)
Exportent les drogues vers le milieu extra cellulaire
CFTR: contrôle [Cl-] dans les fluides extracellulaires
Mutations
mucoviscidose
résistance aux drogues
(poumon++)
2- Les Transporteurs
- Fonctionnent dans le sens du gradient de conc ou électrochimique (« Facilitateurs »)
- Précurseur commun ( segments hydrophobes) :
12 ou 6 hélicesTM(dimère ds mitoch), les 2 extrémités N et C ter du côté cytosolique
- Réversibles :
Modifications conformationelles réversibles
Fonctionnent dans les deux sens, en fonction du gradient de concentration
Transporteur à 12
hélices
Transporteur à 6 hélices
C
N
C
Extrémités N et C
terminales cytosoliques
Modèles hypothétiques du mécanisme de transport
par réorientation des hélices transmembranaires
glucose Ouverture du pore vers l’ext
Liaison du glucose
dans le pore
N
Modification
Conformationnelle
réversible
Ouverture du pore
vers l’intérieur
2- Les Transporteurs
Trasnport selon le gradient de concentration:
Diffusion simple / Diffusion facilitée (transporteurs)
Diffusion facilitée:
Transporteurs
Saturation du
transporteur
Diffusion simple
2- Les Transporteurs
3 de transport
Transported molecule
Diffusion
facilitée
Diffusion facilitée:
Transporteurs
Saturation du
transporteur
Diffusion simple
- Une molécule est transportée dans
le sens du gradient de concentration
 Energie
- L’autre molécule est transportée
contre son gradient de concentration
2- Les Transporteurs
Transport couplé :
Rôle ATPase Na + /K +: Entretient le gradient de Na+ +++
Gradient de Na+
énergie pour autres transports
Exemples:
- Symport Na + et sucres/acides aminés : Cellules intestinales, rénales +++:
- Antiport :
Echangeur Na + /H +
maintien du pH cytosolique
(entrée de Na+ / sortie - » expulsion » de H+)
2- Les Transporteurs
Exemple du glucose dans l’entérocyte
Transport
Glc
Contre
gradient
Concentration en
glucose faible
Symport
Glc/Na++
(SGLT1)
Concentration en
glucose forte
Uniport Glc
Sens du
gradient
(idem GLUT1 du
globule rouge)
ATPase
Na+/K+
Concentration en
glucose faible
3- Les Canaux
- Selon le gradient de concentration ou électrochimique
- Passage d’un grand nombre de molécules, très rapidement
- Sélectivité variable
- 3 fonctions:
- Transport de l’eau et des ions à travers les membranes
- régulation du potentiel électrique
Signalisation
- Régulation du passage du Ca++
Contraction musculaire
3- Les Canaux
Structure :
• la plupart des protéines canalaires traversent 2 ou plusieurs
fois la bicouche lipidique. Parfois il s'agit d'une seule grande
chaîne ploypeptidique. Mais dans de nombreux cas il existe
plusieurs sous-unités;
Modèle : canal K+ de Streptomyces lividans = 4 sous-unités identiques
S5
S6
Structure du canal mécanosensible MscL
de Mycobacterium tuberculosis
P : contrôle la perméabilité
Sous-unité
Sous-unité ( canal voltage dépendant)
3- Les Canaux
Milieu extracellulaire: A
Partie apolaire de la
bicouche lipidique: D
Zone de contrôle de la
perméabilité membranaire: E
Extrémités N et C
terminales: C
3- Les Canaux
Gating = passage entre les états de conduction (O) et de non conduction (F)
Transitions F
O rapides,
Gating
- parfois spontanées
- ou contrôlées (signalisation: phosphorylation…)
3- Les Canaux
Voltage
dépendant
Liganddépendant
(extraC)
Liganddépendant
(intraC)
Mécanosensibles
fermé
ouvert
Ligands: ATP,
neurotransmetteurs
(acétylcholine,
sérotonine,GABA…)
- Canaux sodiques et potassiques
(potentiels d’action)
- Canaux calciques
- Ligands:
Ca++, GMPc…
CanauxMscL:
s'ouvrent en réponse
à un étirement de la
membrane plasmatique
3- Les Canaux
Canaux voltage-dépendants
- Canaux calciques
- Canaux sodiques et potassiques cellules excitables: neurones, cellules musculaires
Courant électrique
stimulant
Potentiel membranaire (mV)
stimulus
- dépolarisation mb (potentiel d’action)
- libération Na+/cytoplasme
- fermeture canaux Na+ et ouverture
canaux K+
- libération K+/MEC
fermé ouvert
inactivé
fermé
3- Les Canaux
Les canaux potassiques à rectification interne
- Canaux K+ non voltage dépendant
- font passer le courant ionique dans un sens , en fonction du potentiel
membranaire :
- potentiel < seuil, passage K+ très rapide dans le M.I.C
- potentiel > seuil, ouverture des canaux, passage lent K+ vers M.E.C
3- Les Canaux
Canaux Na+ épithéliaux :
transport Na+ (et H2O), selon gradient
Pompe Na+/K+ rétablit le gradient
apical
Conc en Na+ forte
Canal Na+
Canal
Concentration
en Na+ faible
ATPase
Na+/K+
ATPase
Na+/K+
Conc en Na+ forte
Concentration
Baso-latéral
3- Les Canaux
Syndrome de Liddle
Mutation
Allongement temps d'ouverture des canaux Na+ épithéliaux
augmentation réabsorption Na+ et eau
3- Les Canaux
Canaux régulés par des ligands intra cellulaires
Canal cationique contrôlé par les nucl éotides cycliques
Région régulatrice P de la
perméabilité du canal
S1
N
S2
S3
S4
S5
S6
Segment transmembranaire
du canal:B
Site de liaison du
Complexe Ca -calmoduline
C
Domaine de liaison
du nucléotide cyclique
Nucléotide cyclique qui ouvre le canal
Passage de Na+ et Ca2+.
dépolarisation membrane