Biocell 16 - Echanges transmembranaires 1 - coursp1bichat

COURS N°16 DE BIOLOGIE CELLULAIRE : ÉCHANGES TRANSMEMBRANAIRES 1
AVERTISSEMENT : les cours du Pr Rona sont extrêmement difficiles à prendre en note, et
sont souvent durs à apprendre. Ici plus encore que pour les autres cours, une attention
maximale en amphi est nécessaire : ce cours n’est pas forcément complet à 100%. J’ai
sciemment choisi de m’écarter un peu de la présentation de l’amphi par soucis de clarté ☺
Les membranes biologiques
-
- De part et d’autre de la membrane : concentrations
ioniques différentes entre cytoplasme et milieu extérieur
- Asymétrie de la membrane plasmique : une zone des
protéines transmembranaires dépasse de la membrane : rôle
dans la régulation des ions voire récepteur à un ligand
- Membrane hétérogène : 2 lamelles hydrophiles et une
lamelle hydrophobe
- Les liaisons de Van der Walls permettent de maintenir
ensembles les 2 parties hydrophobes des deux couches de
phospholipides
Épaisseur membrane : 75 Å = 7,5 nm
Diamètre canal ionique : souvent dans les 10 Å avec forte densité de présence
Concentration ionique dans les cellules des vertébrés
Concentration cytoplasmique
Concentration milieu extracellulaire
14
140
Na
+
160
3
K
2+
-4
1
à2
Ca
10
14
150
Cl
+
La cellule est capable de sous-concentrer le Na et de sur-concentrer le K+
Un gradient de concentration se produit lorsqu’un ion est présent dans des concentrations
différentes de part et d’autres d’une membrane dans laquelle il est diffusible
Ainsi il y a un gradient de Na+ de facteur 10 qui doit rester constant dans la vie de la cellule
C’est l’inverse pour le K+ qui est sur-concentré dans le cytoplasme
Il y a des mécanismes qui permettent ces différences de concentration (que vous allez
déguster sur 3 cours)
Le Ca2+ a un rôle majeur dans tous ces mécanismes car ses variations sont lues par des
protéines du cytoplasme
o Le Ca2+ est toxique en fortes quantités dans le cytoplasme
o De légères variations du taux de Ca2+ provoquent de fortes variations de potentiel de
membrane
Le Cl quand à lui est surtout présent dans le milieu extérieur : si l’on fait l’addition la cellule
serait chargée très positivement, or il y a des acides organiques colloïdes chargés
négativement dans le cytoplasme. La finalité est l’électroneutralité
+
-
-
Electroneutralité
-
indispensable à la vie : un compartiment biologique est neutre dans sa globalité
Cependant, différentes zones peuvent être chargées dans une cellule
Le distinguo est souvent mal fait par la majorité : la membrane est chargée mais neutre !
En effet d’un côté il y a forte présence d’ions chargés + et de l’autre une forte présence
d’anions : au final c’est neutre mais chargé ;-)
-
Em < 0 : le potentiel de la membrane est négatif car il y a 10000 fois moins de calcium dans la
cellule que dehors. Si celui-ci était trop présent dans la cellule il y aurait de nombreux
problèmes de signalisation ainsi qu’une toxicité
Quels sont les systèmes polarisés ?
-
Tous ceux possédant une bicouche en guise de protection, c'est-à-dire les organites surtout
o Réticulum Endoplasmique
o Golgi
o Membranes des mitochondries (cours n°12)
o Vacuoles, lysosomes, chloroplastes, etc.
Pourquoi parle-t-on de polarisation ?
-
-
Car il y a des têtes polaires (ne vous les apprenez pas par cœur dès maintenant, le Pr Butor va
vous les détailler en long, large et en travers)
Il y a trois têtes polaires possibles (et une 4ème plus rare)
o Choline
o Sérine
o Inositol
o Ethanolamine
Le tout additionné d’un acide phosphorique chargé négativement
Les canaux ioniques traversent la membrane de part et d’autre
Les zones hydrophobes (chaîne aliphatique) s’intègrent de façon forte aux protéines
intrinsèques à la membrane
Les têtes polaires se lient aux zones hydrophiles
La diffusion simple
-
-
Liposome : très faible diffusion simple d’un ion dans le sens de son gradient de concentration
Ne permettrait pas les mécanismes des cellules vivantes
o Cl- 10-10 cm/s
o Na+ 10-12 cm/s
o K+ 10-12 cm/s
Sans protéines de transport, les flux d’ions seraient donc très réduits
Le cholestérol est une molécule amphiphile qui ne peut à lui seul former des bicouches ou
micelles, néanmoins il s’insère parfaitement dans la bicouche membranaire sans K. Il a un
rôle dans la fluidité membranaire
La mosaïque fluide
-
-
C’est le nom donné à la membrane plasmique : elle intervient sur les pressions des protéines
de transport
Deux facteurs doivent être pris en compte
o Le gradient de concentration (que l’on a déjà vu)
o Le gradient électrique : même si le gradient de concentration est en faveur de l’ion, si
le gradient électrique est contre lui, il ne pourra pas traverser sans énergie / ATP
Pour remonter le gradient électrochimique, il faut de l’énergie fournie par une molécule
d’ATP ADP + Phosphate Inorganique (Pi) : énergie utilisée par des ATPases
A - Pompes :
- protéine intrinsèque avec une zone
cytoplasmique plus importante que la zone
extracellulaire
- Le sens est unique et va vers l’extérieur
- Le gradient électrique joue sur l’efficacité de ces
pompes
- Ex : Pompes à Calcium, NA-K ATPases
B – Canaux ioniques
- Constitués de plusieurs sous-unités
- Capables de modifier l’intensité du flux d’ions les traversant
- Transport passif, pas de sens obligatoire, pas besoin d’énergie
C – Récepteurs canaux
- Transport dans les deux sens
- Transport passif
- Une partie sert de récepteur à un ligand activant le canal
- Une zone canal (C) et une zone réceptrice du ligand (R)
D – Transports couplés
- Également appelés transports actifs secondaires
- 2 éléments transportés en même temps au travers d’une protéine, la force du gradient de
l’un entrainant l’autre contre son gradient
- Ces deux éléments sont dépendants au sein de ce transport
- 2 types : symports et antiports (voir plus loin)
Modulation de l’activité des systèmes de transport
-
Concernent les 4 types de transporteurs vus au dessus
Peuvent être de très nombreuses sortes
Contrairement au prof je vais d’abord expliquer 2-3 notions qu’il expliquera après
Variations du potentiel de membrane
-
Cellule au repos est chargée négativement au point de vue membranaire : -40 à -80 mV
Si elle devient encore plus « négative » on parle d’hyperpolarisation (-90mV)
Si elle devient moins « négative » on parle de dépolarisation (-20mV)
Effets osmotiques
-
L’osmose est un mouvement d’eau et d’ions (voir après)
Lorsqu’il y a entrée d’eau dans la cellule on parle de turgescence (la cellule gonfle)
Lorsque c’est le contraire qui se produit, on parle de plasmolyse (elle dégonfle)
Ces mouvements d’eau agissent sur les 4 types de transporteurs
Qu’est-ce qui module l’activité de ces transporteurs ?
-
-
Des signaux externes
o Variations de pH
o Variations de la concentration en Ca2+
o Effets osmotiques
o Variations de voltage (cellule musculaire en action)
Des signaux internes
o Variations de la concentration en Ca2+
o Nucléotides : GDP, AMP cyclique, AMPH
o Effecteurs cytosoliques : IP3, calmoduline, kinases
Calmoduline : fixe 4 Ca2+ et les apporte à des systèmes calcium-dépendants
o Phosphorylations (via kinases) ce qui modifie la conformation des protéines
o Effets osmotiques
o Variations de pH : si cytoplasme alcalin, activation des canaux K+
Conclusion sur cette partie
-
Dans la membrane plasmique, divers types de protéines intrinsèques sont impliqués dans le
transport des petites molécules et des ions
Ces protéines ont en général une forte sélectivité vis-à-vis des ions ou des petites molécules
transportées
Ce transport peut être régulé par l’activité cellulaire (synthèse ATP, variations Ca2+, etc.)
Ces protéines peuvent parfois contrôler le sens et moduler l’intensité des flux de particules
Aspects énergétiques
- UNIPORT : une protéine ne transporte qu’un seul ion /
espèce ionique à la fois dans un seul sens !
- UNIPORT PASSIF
o Un seul ion transporté
o Dans le sens du gradient électrochimique
- UNIPORT ACTIF
o Un seul ion transporté
o Dans le sens contraire du gradient
o Nécessite de l’ATP
Diffusion d’une phase homogène de coefficient D
-
En cours le Pr Rona explique de façon très claire ce point, voici l’essentiel
o Un flux majoritaire va du plus concentré au moins concentré
o Un flux ultra-minoritaire fait le contraire : le mouvement brownien
o La différence entre les deux donne le flux net
o Attention, même si le flux net = 0 les deux flux le composant peuvent être ≠ 0
Transports actifs, passifs et diffusion facilitée
-
De même les explications du cours sont claires et donc le résumé
o Diffusion facilitée et transport passif 107 ions / s
o Diffusion par transport actif jusqu’à 500 ions / s
o La diffusion facilitée et le transport actif sont très rapides à se mettre en marche
o Le transport passif est nettement plus lent pour atteindre sa vitesse maximale
o Plus la Km sera petite et plus la protéine aura d’affinité pour l’ion qu’elle transporte
et plus le transport se fera facilement
Lois de Fick
-
1ère loi de Fick : Js = -D × (dC÷dx) : valable pour une diffusion entre les deux bords d’un
cristallisoir
2ème loi de Fick : Js = -PdC : valable pour une membrane semi-perméable
2 options s’offrent à vous : vous apprenez ça par cœur et les appliquez dans les TD ou
vous les comprenez. Ne les prenez pas à la légère l’an passé (2007-2008) c’est tombé. Ce
cours est vraiment dur à comprendre et peut faire peur, mais en le lisant à tête reposée
plusieurs fois ça se clarifiera. Les 2 cours qui suivent vont aussi y contribuer !
Rappel sur l’omose :
-
L’eau se déplace du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique
Transports actifs secondaires
-
sens
-
symports et antiports
o 1 ion dans le sens du gradient
o 1 ion dans le sens contraire
Symport : les deux ions vont dans le même
Antiport : un ion rentre dans la cellule tandis que l’autre en
sort
Antiports comme symports peuvent modifier le potentiel
de la membrane
Transport passif de l’eau à travers la membrane : les aquaporines
- Les aquaporines sont des canaux hydriques, l’eau va donc du
milieu hypotonique vers l’hypertonique
- La vitesse de diffusion de l’eau à travers la bicouche est faible :
-2
10 cm / s
- Les aquaporines augmentent le flux de diffusion de l’eau au
travers des membranes biologiques
-
Les aquaporines ne permettent pas le transport des ions
Structure d’une aquaporine
-
Protéines de 250 à 300 acides aminés pesant au total 25 à 35 kDa
- Les aquaporines ne laissent passer que les ions et les
molécules à 3C
- Tous les tissus vivants possèdent des aquaporines
- NB : les canaux ioniques ne permettent pas le transport de
l’eau (il y a bien un peu d’eau qui permet l’ionisation mais c’est ultranégligeable)
-
Les aquaporines sont assemblées en homotétratomères : 4 monomères dans une aquaporine
Structure d’un monomère
6 domaines transmembranaires (hélices α insérées dans
la bicouche)
o 2 motifs NPA sur les boucles B (2-3) et E (5-6)
o Les motifs NPA (asparagine – proline – alanine) vont se
souder entre eux pour former une 7ème hélice et
délimiter le canal de l’aquaporine de 3Å de diamètre
Les extrémités N-ter et C-ter sont intracellulaires, avec des phosphorylations possibles grâce
à des PKA, PKC ou encore PK-Cam
Les aquaporines sont inhibées par les sels de mercure au niveau des résidus Cystéine des
protéines (Cys 189 pour AQP1)
o
-
Protéine
Activité
identifiée
Espèces
exclues
MIP26
Canal ionique
> 1,5 kDa
AQP1
Canal hydrique
(polyols à 3C)
AQP2
AQP3
AQP4
Canal hydrique
Canal hydrique
(glycérol, urée)
Canal hydrique
Ions, urée
et polyols à
4C
Urée
Aa, sucres,
ions
Ions, urée,
glycérol
αTIP
Canal hydrique
Inhibition par
sels de
mercure
non
Oui (Cys 189)
Protéines
Kinases
impliquées
PKA, PKC,
PK-Cam
PKC
Oui (Cys 189)
Oui
PKA, PKC
Cas KII
Non
PKA, PK-Ca,
PK-GMPc
Localisations
principales
Œil (cristallin)
Érythrocytes, rein,
œil, cerveau, cœur,
poumon, etc.
Rein
Rein, gastro-intestinal
poumon, vessie
Cerveau, œil, rein,
poumon, intestin
Vacuole des graines
La structure des aquaporines est essentielle à savoir, le tableau peut-être un peu moins
(sauf AQP1 à savoir par cœur)
Tout ce cours est compliqué et foncièrement nouveau, il faut apprendre les chiffres (Cys189) de façon
très rigoureuse. Essayez de le savoir ou au moins de l’avoir compris avant d’affronter le suivant qui
est de loin le pire de toute la PCEM1
Sur ces paroles pleines d’espoir, bon courage !
Ce document, ainsi que l'intégralité des cours de P1, sont disponibles gratuitement
à l'adresse suivante : http://coursp1bichat-larib.weebly.com