Projet DS - bcpst-svt-parc
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BCPST 1 Lundi 4 janvier 2016 D.S. n°3 – BIOLOGIE – Eléments de correction « Les protéines membranaires » ATTENTION : proposition de corrigé avec les connaissances acquises au jour du devoir. D’autres aspects, étudiés plus tard dans le programme de BCPST viendront s’y ajouter (en particulier protéines membranaires mises en jeu dans le métabolisme énergétique…). Introduction : Tout être vivant est constitué de cellules limitées par une membrane plasmique. En outre, les cellules eucaryotes sont compartimentées et leurs organites sont limités par des endomembranes. Puisqu’elles sont des structures limitantes, les membranes doivent intervenir dans des processus essentiels au fonctionnement de la cellule : échanges de matière, relations mécaniques et fonctionnelles avec le milieu extracellulaire en ce qui concerne la membrane plasmique, fonctions des organites pour les endomembranes. Or les membranes sont des mosaïques lipoprotéiques : elles résultent d’un assemblage de lipides et de protéines, molécules organiques caractéristiques du vivant. Les protéines sont des hétéropolymères d’acides aminés dont la structure et les fonctions sont très variées dans la cellule. Nous nous demanderons quelle est l’importance fonctionnelle des protéines membranaires et quelles propriétés des protéines leur permettent de réaliser ces fonctions. Pour cela, nous étudierons dans un premier temps comment la structure et les propriétés des protéines membranaires sont mises en jeu dans les échanges de matière à travers les membranes. Nous montrerons ensuite comment les protéines de la membrane plasmique interviennent dans les relations entre la cellule et son environnement, autres cellules ou matrice extracellulaire. Enfin, nous envisagerons quelques exemples permettant d’argumenter l’importance des protéines membranaires dans la régionalisation fonctionnelle de la cellule et la spécialisation fonctionnelle des organites. Penser à localiser les protéines étudiées, et dans le choix des exemples, à utiliser quand c’est possible des protéines d’endomembranes (ne pas se limiter à des protéines de la membrane plasmique, compte tenu du sujet). I. Protéines membranaires et échanges de matière Seuls les composés hydrophobes peuvent diffuser à travers la phase lipidique des membranes, nécessité de protéines pour les autres substances. - 1. Des protéines intrinsèques mises en jeu dans les échanges comparaison cryofracture/cryodécapage sur liposome et mb plasmique des protéines intégrées à la membrane expérience avec trypsine + électrophorèse protéines : des protéines intrinsèques et extrinsèques profil d’hydropathie des protéines : le caractère hydrophile ou hydrophobe des radicaux des acides aminés confère un caractère hydrophobe à certains domaines d’une protéine intrinsèque : structure secondaire des protéines des hélices hydrophobes traversant la mb permettent l’insertion de la protéine dans la membrane 2. La conformation spatiale de certaines protéines ménage des canaux transmembranaires régions hydrophobes au contact des autres constituants membranaires / régions hydrophiles regroupées délimitant un canal = passage hydrophile pour certaines substances + - cas des canaux ioniques comme les canaux de fuite à K des mb plasmiques, spécificité relative (pas de liaison avec ion) - des assemblages de protéines en édifices supra-moléculaires peuvent constituer des canaux : cas des aquaporines (dans les mb plasmiques mais aussi le tonoplaste) ; spécificité car liaison faible entre deux acides aminés (ASN) du canal et molécules d’eau ; cas aussi des pores nucléaires constitués par l’assemblage de nombreuses protéines permettant notamment le transfert des ARN du noyau au cytosol. [cas aussi des connexines des jonctions gap, autre exemple possible] - - 3. Certains échanges mettent en jeu un changement de conformation des protéines des domaines hydrophiles exposés au milieu aqueux peuvent interagir avec une substance hydrophile et permettre son transport de l’autre côté de la membrane grâce à un changement de conformation ex de la perméase au glucose et modèle ping-pong de fonctionnement spécificité du transporteur en lien avec la nature protéique (importance de la structure spatiale) ; changement de conformation = propriété de nb protéines ; aptitude à se lier à un ligand = autre propriété de nb protéines le changement de conformation peut être déclenché : par la fixation d’un ligand (canaux chimio-dépendants), par + + une variation du potentiel membranaire (canaux Na et canaux K voltage-dépendants) ; les échanges peuvent alors être contrôlés - II. 4. Certaines protéines sont des agents de couplage permettant le financement du travail osmotique + + + exemple de la pompe Na /K ou du symporteur Na /glucose de l’entérocyte à expliquer (schémas) couplages chimio-osmotique ou osmo-osmotique réalisés par le transporteur protéique (processus endergonique financé par processus exergonique) Protéines de la membrane plasmique et relations entre la cellule et son environnement 1. Des liaisons entre protéines impliquées dans la cohésion mécanique entre cellules (Cas de l’entérocyte) 2+ - cadhérines (glycoprotéines transmembranaires Ca dépendantes) des jonctions adhérentes, des desmosomes reliées entre elles elles associent étroitement les cellules contiguës (schémas) - liées au cytosquelette (microfilaments d’actine pour les jonctions adhérentes, filaments intermédiaires de kératine pour les desmosomes) : solidarisation des cellules et de leur cytosquelette résistance mécanique - liaisons homophiles entre cadhérines / aptitude à se lier à ligand, spécificité en lien avec nature protéique - - - III. 2. Des protéines membranaires assurant la liaison avec la MEC intégrines : liaison à la fibronectine de la MEC animale et jonction avec le cytosquelette (schéma) ; rôle dans la transduction de signaux entre MEC et cellule hémidesmosomes : ancrage à la lame basale dans les épithéliums des complexes enzymatiques membranaires en rosette des cellules végétales qui synthétisent la cellulose (et sont liés aux microfibrilles en cours de mise en place) 3. Spécificité et aptitude à se lier à un ligand interviennent dans des processus de reconnaissance et de communication assymétrie membranaire : résidus glucidiques des glycoprotéines sur face extracellulaire, constituants du glycocalix, rôle dans la protection et la reconnaissance cellulaire (mais ici c’est la fraction glucidique qui assure la spécificité ; la fraction protéique assure l’ancrage dans la membrane plasmique) récepteurs qui interviennent dans la reconnaissance : ex. récepteurs au fragment Fc des Ac dans la membrane plasmique des macrophages facilitant la phagocytose (schéma), récepteurs aux neurotransmetteurs au niveau de la synapse neuro-musculaire intervenant dans la communication entre cellules (schéma) Protéines membranaires et régionalisation fonctionnelle au sein de la cellule 1. Des protéines membranaires impliquées dans la polarité et la régionalisation fonctionnelle des cellules Cas des entérocytes par exemple (l’exemple des neurones pourrait être choisi) : Jonctions serrées : association étroite des occludines des membranes de cellules contiguës (au pôle apical) ; assurent étanchéité entre milieu extérieur et milieu intérieur + bloquent diffusion intramembranaire des protéines maintien spécialisation des membranes donc polarité structurale et fonctionnelle de la C/ (schéma) 2. Des protéines membranaires assurent la spécificité des conditions de milieu dans certains compartiments + Cas de pompes H /ATPases des lysosomes contenu acide favorable à l’action des hydrolases qu’ils contiennent (là encore, spécificité, changement de conformation, agent de couplage / nature protéique de la pompe) 3. Des protéines membranaires mises en jeu dans l’adressage et les échanges entre compartiments récepteurs à mannose 6P dans la membrane du Golgi permettant le tri de protéines glycosylées avant leur adressage via des vésicules - récepteurs à dynéine ou à kinésine sur les vésicules permettant leur déplacement le long des microtubules dans la cellule - protéines V-snare des vésicules et T-snare des membranes cible mises en jeu par exemple dans les processus d’exocytose (nature protéique peut être mise en relation ici avec les processus de reconnaissance mis en jeu) - Conclusion : - Diversité des rôles assurés par les protéines membranaires : dans la vie de la cellule, dans son intégration mécanique et fonctionnelle à un tissu et à l’organisme avec la transduction de signaux et le transfert de messages. - Diversité fonctionnelle étroitement liée aux propriétés structurales des protéines (spécificité de la conformation spatiale liée à la structure primaire et aux propriétés des acides aminés qui les constituent, aptitude parfois à la reconnaissance et à se lier avec un ligand, et/ou à changer de conformation). - la nature des protéines contenues par une membrane est donc déterminante dans ses fonctions, et pour la cellule eucaryote la compartimentation repose sur des membranes spécialisées grâce à leur contenu en protéines, ce qui permet un partage du travail dans la cellule, et la coopération entre organites. - Or, le protéome cellulaire dépend d’une part de son information génétique d’autre part du contrôle de l’expression de cette information : toute modification affectant l’une (mutation) ou l’autre (épigénétique) peut avoir des conséquences importantes aux différentes échelles du vivant.
