chapitre 3 structure des membranes

Qu'est-ce qui délimite la cellule eucaryote et sépare le milieu intracellulaire du milieu extracellulaire ?

La membrane plasmique.

De quoi est composé le cytoplasme (milieu intracellulaire) ?

Des organites baignant dans un gel appelé le cytosol.

Quelles sont les 4 grandes fonctions de la membrane plasmique ?

1. Frontière perméable (échanges/transports membranaires).

2. Rejet des déchets à l'extérieur.

3. Reconnaissance d'autres cellules et facteurs solubles (via des récepteurs).

4. Propagation de signaux dans la cellule (transduction du signal).

Avec quel élément du cytosquelette la membrane plasmique est-elle directement en contact ?

L'actine.

Qu'est-ce qui définit les compartiments spécialisés (organites intracellulaires) chez les eucaryotes ?

La membrane interne.

Quels organites possèdent une double membrane (ou enveloppe) ?

Le noyau et la mitochondrie (qui a deux membranes concentriques).

Quel est le rôle des membranes nucléaires ?

Entourer le noyau, qui est le siège des informations génétiques.

Quels organites font partie de la catégorie des « vésicules » mentionnée dans le cours ?

Les lysosomes, endosomes et le peroxysome.

Quels sont les trois composants moléculaires des membranes des eucaryotes ?

Les lipides, les protéines (composants majeurs) et les glucides (en quantité plus faible).

Sous quelle forme trouve-t-on les glucides dans les membranes ?

Ils ne sont jamais isolés : ils sont toujours associés aux protéines (glycoprotéines) ou aux lipides (glycolipides).

Quel modèle cellulaire est idéal pour étudier la membrane plasmique et pourquoi ?

Le GR (Globule Rouge ou hématie), car ces cellules sont nombreuses, accessibles et dépourvues de noyau et de mitochondries (cellules fantômes).

Quelle est la composition en protéines et en lipides de la membrane plasmique du globule rouge ?

50% de protéines et 42% de lipides.

Quel est le pourcentage de glucides dans la membrane plasmique du Globule Rouge (GR) ?

8% de glucides (complétant les 50% de protéines et 42% de lipides).

La répartition des composants membranaires est-elle identique dans toutes les cellules ?

Non, elle varie selon le type cellulaire et le type de membrane au sein d’une même cellule.

Quelle est la particularité de la membrane de la myéline (cellules nerveuses) ?

Elle contient beaucoup plus de 80% de lipides.

Quelle est la particularité de la membrane mitochondriale interne ?

Elle contient 80% de protéines (notamment les protéines de la chaîne respiratoire) et ne possède pas de glucides.

Quel pourcentage des lipides de la membrane plasmique du GR représentent les phospholipides ?

55% des lipides.

Quelle propriété physique définit les phospholipides, les rendant aptes à former spontanément une bicouche ?

Ils sont amphipatiques ou amphiphiles (possèdent à la fois une zone hydrophile et une zone hydrophobe).

De quoi est composée la tête d’un phospholipide ?

D'une tête polaire hydrophile constituée de : glycérol + phosphate + une molécule spécifique (choline, éthanolamine, sérine...).

De quoi est composée la queue d’un phospholipide ?

D'une queue apolaire hydrophobe formée de deux chaînes d'acides gras (AG) longs de 14 à 24 carbones.

Quelle est la différence structurale entre les deux acides gras d'un phospholipide ?

L'un est saturé (sans double liaison, rectiligne/vertical) et l'autre est insaturé (avec une double liaison en configuration cis qui crée une courbure).

De quoi sont composés les glycérophospholipides (GPL) ?

D'un acide phosphatidique + un alcool (situé au niveau de la tête polaire).

Quels sont les 4 principaux GPL selon l'alcool associé ?

1. La phosphatidyléthanolamine (PE)

2. La phosphatidylsérine (PS)

3. La phosphatidylcholine (PC)

4. Le phosphatidylinositol (PI) (rare, impliqué dans la transduction du signal et hautement glycosylé -> GPI).

Quels sont les GPL globalement neutres à pH physiologique ?

La PE et la PC (car la charge positive de leur alcool annule la charge négative de l'acide phosphatidique).

Quels sont les GPL globalement négatifs à pH physiologique ?

La PS (possède une charge + et une charge - sur son alcool, donc reste globale négative) et le PI (l'alcool n'a pas de charge, la charge de l'acide phosphatidique l'emporte).

Quel est le sphingolipide le plus fréquent dans les membranes cellulaires ?

La sphingomyéline (SM).

Quelle est la composition moléculaire de la sphingomyéline (SM) ?

• Partie hydrophile (tête) : choline + phosphate

• Partie hydrophobe : 2 acides gras (AG)

• Liaison intermédiaire : la sphingosine (un amino-alcool qui remplace le glycérol).

Quelle est la charge globale de la sphingomyéline (SM) et pourquoi ?

Elle est globalement neutre, car sa charge négative (phosphate) annule sa charge positive (choline).

Quel est l'ordre de proportion décroissant des différents phospholipides dans la membrane de l'hématie (GR) ?

(PE et SM) > PC > PS > P

Quel pourcentage des lipides de la membrane plasmique (MP) du GR représente le cholestérol ?

25% des lipides.

Chez quels organismes le cholestérol est-il absent des membranes et des parois, en faisant une particularité des eucaryotes ?

Chez les procaryotes

De quoi est composée la molécule amphiphile de cholestérol ?

• Partie hydrophile : unique fonction alcool (-OH) polaire.

• Partie hydrophobe : noyau stéroïde rigide suivi de chaînes hydrocarbonées (apolaire).

Le cholestérol peut-il former une membrane à lui tout seul ?

Non, il participe à la structure en s'insérant entre les phospholipides.

Où se situent toujours les groupements oligosaccharidiques (sucres) des glycolipides et avec quoi sont-ils en contact ?

Sur le versant extracellulaire de la membrane, en contact avec le milieu extracellulaire.

Quels sont les trois types de glycolipides cités dans le cours ?

Les GPI (glycosylphosphatidylinositol), les cérébrosides et les gangliosides.

Associez chaque type de glycolipide à sa fonction ou localisation clé :

• GPI : Ancrage des protéines extracellulaires.

• Cérébrosides (Galactocérébrosides) : Gaine de myéline et synapses du Système Nerveux Central (SNC).

• Gangliosides (ex: GM1) : Récepteurs (notamment dans les cellules intestinales pour la toxine du choléra).

Qu'observe-t-on au microscope électronique concernant la structure des membranes ?

On retrouve 2 feuillets foncés entourant 1 feuillet clair de 7 nm.

À quoi correspondent biologiquement les feuillets clairs et foncés observés au microscope ?

• Le feuillet central clair = les parties hydrophobes (les queues).

• Les deux feuillets foncés = les parties hydrophiles (les têtes, en contact avec l'eau).

Quel type de microscopie est indispensable pour observer l'organisation en bicouche de la membrane ?

La microscopie électronique (impossible en microscopie optique).

Qu'a démontré l'expérience de l'organisation en double couche sur les Globules Rouges (GR) ?

La surface de la monocouche de lipides étalés sur l'eau était égale à 2 fois la surface de la membrane des GR, prouvant qu'ils sont organisés en bicouche lipidique.

Qu'est-ce qu'un liposome ?

Une bicouche lipidique artificielle réalisée en laboratoire.

Quelle est l'application médicale majeure des liposomes ?

Ils servent d'agents de vectorisation pour transporter des molécules exogènes (médicaments) et les cibler vers des organes précis en fusionnant avec les membranes cellulaires.

Selon leur solubilité, où se logent les médicaments dans un liposome ?

• Médicaments hydrophiles : dans le centre hydrophile.

• Médicaments hydrophobes : dans la partie hydrophobe (la bicouche).

• Médicaments amphiphiles : dans la partie entre les deux.

Comment s'appellent les deux feuillets de la membrane plasmique ?

Le feuillet E (exoplasmique = externe) et le feuillet P (protoplasmique = interne).

Vers quoi sont dirigées les têtes hydrophiles des phospholipides (PLP) du feuillet P ?

Vers le cytoplasme, chargé négativement.

Quels sont les phospholipides majoritairement présents sur le feuillet externe (E) et le feuillet interne (P) ?

• Feuillet externe (E) : Phosphatidylcholines et Sphingomyélines.

• Feuillet interne (P) : Phosphatidylsérines, Phosphatidyléthanolamines et Phosphatidylinositols.

Sur quel feuillet trouve-t-on exclusivement les glycolipides ?

Uniquement sur le feuillet externe (E) (aucun sur le feuillet interne).

Contrairement aux phospholipides et glycolipides, comment est réparti le cholestérol entre les deux feuillets ?

Le cholestérol est réparti de manière symétrique entre les deux feuillets.

Quel est le rôle de la Phosphatidylsérine (P. Sérine) grâce à sa charge négative sur le feuillet interne ?

Elle attire et fixe les ions \(Ca^{2+}\) pour les faire entrer dans le cytoplasme, permettant l'activation de la PKC et la contraction musculaire.

Que provoque la modification de la tête hydrophile du Phosphatidylinositol (P. Inositol) par l'enzyme PI3 kinase ?

L'obtention d'un PI phosphorylé, ce qui permet le recrutement de molécules cytoplasmiques et la transduction d'un signal intracellulaire (ex: signal de prolifération).

Que se passe-t-il pour la P. Sérine lors de l'apoptose (mort cellulaire) ?

Elle subit une translocation : elle passe du feuillet interne au feuillet externe.

Quelle est la conséquence de l'exposition de la P. Sérine sur le feuillet externe lors de l'apoptose ?

C'est un signal de reconnaissance qui permet l'élimination de la cellule par des macrophages.

Quels sont les 4 types de mouvements dont sont capables les lipides membranaires ?

La diffusion latérale, la rotation, la flexion et la diffusion transversale (flip-flop).

Qu'est-ce que la diffusion latérale ?

Le déplacement aléatoire des phospholipides dans le plan du feuillet.

Quelles sont les caractéristiques de la diffusion latérale et quelle technique permet de la mettre en évidence ?

C'est un mouvement rapide (de l'ordre de $1\ \mu m/s$ ), très fréquent, et mis en évidence par la technique du FRAP.

Qu'est-ce que le mouvement de rotation des phospholipides ?

La rotation des phospholipides sur eux-mêmes autour d'un axe vertical passant par le centre de la tête hydrophile (très fréquent et très rapide).

Qu'est-ce que le mouvement de flexion ?

La flexion des acides gras (les queues) par rapport à la tête hydrophile (rapide et fréquent).

Quel est l'autre nom de la diffusion transversale ?

Le mouvement de flip-flop ou bascule.

Quel est le rôle majeur de la diffusion transversale et dans quelles structures se produit-elle ?

Elle conditionne la répartition asymétrique des phospholipides en permettant le passage d'un feuillet à un autre dans la membrane plasmique et dans le RE (Réticulum Endoplasmique).

Pourquoi le mouvement de bascule est-il lent et rare pour les phospholipides ?

À cause de leurs têtes volumineuses hydrophiles qui rendent difficile la traversée de la zone hydrophobe de la bicouche.

Pourquoi le mouvement de bascule est-il à l'inverse très rapide et très fréquent pour le cholestérol ?

Parce que sa tête hydrophile est très petite (elle se limite au groupe -OH).

Quelle grande propriété de la membrane le mouvement de bascule permet-il de former et de maintenir ?

L'asymétrie de la membrane.

Le mouvement de bascule d'un feuillet est-il lié à celui de l'autre feuillet ?

Non, le mouvement est indépendant entre les deux feuillets.

Quelles sont les caractéristiques des translocases ?

Elles sont spécifiques de la bascule de chaque phospholipide (ex: spécifique aux PC), consomment de l'énergie sous forme d'ATP et leur transport est unidirectionnel.

Quel est le rôle exact des flippases ?

Elles font basculer les lipides du feuillet E (externe) vers le feuillet P (interne).

Quel est le rôle exact des floppases ?

Elles font basculer les lipides du feuillet P (interne) vers le feuillet E (externe).

Quelles sont les trois caractéristiques majeures des scramblases ?

Elles sont non spécifiques, assurent un transport bidirectionnel et nécessitent d'être activées par le $Ca^{2+}$.

Quels sont les 3 facteurs qui font varier la fluidité de la membrane ?

La température, la composition en acides gras (AG) des phospholipides et la quantité de cholestérol.

Qu'est-ce qu'un radeau lipidique (« raft ») ?

Une organisation sous forme de domaines particuliers traduisant une répartition non-homogène des lipides dans la membrane.

Quelle expérience sur liposome met en évidence la formation d'un raft ?

Marquer des sphingomyélines donne une répartition homogène, mais l'ajout d'une grande quantité de cholestérol crée une répartition hétérogène (le raft).

Quelle est la composition lipidique exacte des « rafts » ?

Beaucoup de sphingolipides (parfois glycosylés), beaucoup de cholestérol et des phospholipides à acides gras à chaînes longues et saturées.

Quelles sont les deux propriétés physiques de la membrane au niveau d'un raft lipidique ?

La membrane y est plus épaisse et présente une structure rigide qui va flotter.

Quel est le rôle majeur des radeaux lipidiques concernant les protéines membranaires ?

Ils permettent le regroupement de protéines qui s'y fixent, activant ainsi ces dernières.

Dans quels trois grands processus cellulaires les radeaux lipidiques sont-ils principalement impliqués ?

Le transport membranaire, la signalisation intracellulaire (transduction) et la libération des neurotransmetteurs (communication inter-neuronale).

Quelle est la durée de vie structurelle d'un radeau lipidique ?

Ce sont des structures transitoires : ils se dissolvent dans la membrane après la fin du fonctionnement des protéines.

En dehors de la membrane plasmique, où peut-on retrouver des radeaux lipidiques ?

Dans les membranes cytoplasmiques et mitochondriales.

Où (dans quel organite et sur quel feuillet) sont précisément synthétisés les phospholipides (PL) ?

Au niveau du feuillet cytoplasmique du RE (Réticulum Endoplasmique).

Comment les phospholipides synthétisés rejoignent-ils le feuillet interne (luminal) du RE ?

Par un basculement transversal de certains d'entre eux.

Comment les lipides synthétisés sont-ils acheminés vers la membrane interne des organites (ex: mitochondrie) et ce mécanisme est-il efficace ?

Ils sont pris en charge par des protéines de transfert ; ils passent d'un feuillet à l'autre par flip-flop, ce qui est très peu efficace (quelques PLP à la fois).

Quel est le mécanisme efficace utilisé pour acheminer les phospholipides vers la membrane plasmique ?

La formation d'une vésicule à partir du RE qui bourgeonne dans le cytoplasme puis fusionne avec la membrane plasmique.

Lors de la fusion de la vésicule avec la membrane plasmique, que deviennent ses feuillets externe et luminal ?

• Le feuillet externe de la vésicule devient le feuillet cytoplasmique (P).

• Le feuillet luminal de la vésicule devient le feuillet exoplasmique (E).

Où se déroule la glycosylation des protéines et des lipides et sur quel feuillet s'ajoutent les sucres ?

Dans l'appareil de Golgi, et l'ajout de sucre se fait exclusivement sur le feuillet luminal (qui deviendra le feuillet exoplasmique E).

Quelles sont les caractéristiques des protéines intrinsèques (ou intégrales) et comment les extrait-on ?

Elles sont ancrées dans la membrane (liaison hydrophobe avec les lipides pour les transmembranaires, ou liaison covalente forte pour les ancrées). On les extrait avec du détergent.

Quelles sont les caractéristiques des protéines extrinsèques (ou périphériques) et comment les extrait-on ?

Elles sont associées à la membrane par des liaisons non covalentes faibles (interactions avec des protéines intégrales). On les extrait par une simple variation de pH ou de force ionique.

Qu'est-ce qui caractérise l'interaction lipides-protéines dans le modèle de la « mosaïque fluide » ?

Ce sont des interactions sans altération de la bicouche, formées de liaisons non covalentes, permettant aux lipides et protéines de flotter de manière fluide.

Quelle métaphore utilise-t-on souvent pour décrire le mouvement des protéines dans la membrane ?

On dit que la protéine flotte comme si c'était un iceberg dans un océan de lipide

Quelles sont les deux grandes caractéristiques moléculaires du modèle actuel des membranes (MB) ?

1. Il y a beaucoup de protéines dans la membrane (30 000/\(\mu m^2\)) qui s'associent souvent en complexes multiprotéiques.

2. Il existe une enveloppe lipidique autour des protéines.

Où sont synthétisées les protéines ancrées dans le feuillet interne et comment s'y fixent-elles ?

Elles sont synthétisées dans le cytoplasme. Elles s'associent par des liaisons covalentes avec un lipide, qui s'insère ensuite entre les acides gras de la bicouche lipidique.

Quels sont les 3 types d'ancrage lipidique possibles pour le feuillet interne ?

La Myristoylation, la Palmitoylation et l'Isoprénylation.

Quels sont les lipides engagés respectivement dans la myristoylation, la palmitoylation et l'isoprénylation ?

• Myristoylation : Acide myristique (AG à 14 carbones).

• Palmitoylation : Acide palmitique (AG à 16 carbones).

• Isoprénylation : Dérivés prénoïdes (Farnésyl ou Géranylgéranyl).

Quelle est la nature de la liaison et du mécanisme de la Myristoylation ?

C'est une liaison amide (entre un groupement C=O et le NH d'une glycine N-terminale) et le mécanisme est irréversible.

Quelle est la nature de la liaison et du mécanisme de la Palmitoylation ?

C'est une liaison thioester (entre un groupement C=O et le SH-thiol d'une cystéine interne) et le mécanisme est réversible.

Quelle est la nature de la liaison et du mécanisme de l'Isoprénylation ?

C'est une liaison thioester (entre un carbone et le soufre d'une cystéine C-terminale) et le mécanisme est irréversible.

Donnez un exemple de protéine activée par myristoylation et sa conséquence clinique.

La protéine SARC = Src, une protéine oncogénique qui favorise le cancer par dérégulation du cycle cellulaire (anarchie cellulaire).

Donnez des exemples de protéines ancrées par palmitoylation et par isoprénylation.

• Palmitoylation : Protéines virales (ex: infection par le VIH), protéines G (action des récepteurs).

• Isoprénylation : Protéine G et protéine oncogénique.

Comment est ancrée une protéine extracellulaire via le GPI sur le feuillet externe et donnez un exemple ?

Par une liaison amide entre le NH de l'éthanolamine (du GPI) et le COOH de la partie C-terminale de la protéine. Exemple : la protéine N-CAM (protéine d'adhésion des cellules neuronales).

Quels sont les trois domaines qui composent une protéine transmembranaire ?

Un domaine transmembranaire (DTM), un domaine intracellulaire et un domaine extracellulaire.

Sous quelle forme de structure secondaire la chaîne polypeptidique s'enroule-t-elle généralement pour traverser la bicouche ?

En hélice alpha (généralement 6 à 7 tours, constituée d'une vingtaine d'acides aminés hydrophobes).

Comment sont agencés les acides aminés (AA) au sein de l'hélice alpha transmembranaire ?

La partie polaire des AA est au centre (tenue par des liaisons hydrogène) et les chaînes latérales hydrophobes sont exposées à l'extérieur pour interagir avec les lipides.

Qu'est-ce que l'index d'hydropathie et comment interpréter son signe ?

Une mesure de la polarité des AA. Si l'index est positif, l'AA est hydrophobe ; s'il est négatif, l'AA est polaire.