Protéines membranaires,structures et fonctions.

Céline Raguénès-Nicol. Sept 2007

1. Les membranes biologiques2. Les lipides des membranes

• Diversité• Auto-assemblage• Asymétrie et fluidité

3. Les protéines membranaires• Classes structurales• Quelques règles de structure et de

prédiction• Ancrage aux membranes• Synthèse des protéines membranaires• Grandes fonctions des protéines

membranaires

Les membranes biologiques

• 40% du volume total pour un hépatocyte• Isolées d’un extrait cellulairepar ultracentrifugation

• Épaisseur 6-10 nm• Polarité négative du feuilletintérieur

• Rôles– Isoler des compartiments– Réguler des transferts– Assurer la communication

Les membranes biologiques sont constituées de lipides et de protéines

Structure Fonctions

Les lipides des membranes

• Rôle surtout structural, mais aussi réserve d’énergie, signalisation

• Acides gras• Lipides complexes

Glycérolipides

Stérols

Sphingolipides

Phospholipides

Glycolipides

Les acides gras

acideChaîne aliphatique

palmitate

oleate

• Nombre pair de carbones: C14->C24

• Liaisons insaturées qui créent un coude dans la structure

Phosphoglycérides

glycérol

HC O

H2C

CH2

O

O

phosphate

O-

O

O P

alcool

CH2CH2H3C N+

H3C

H3C

acides gras

CH3

CH3

(CH2)14

CH

(CH2)7(CH2)7 CH

C

O

C

O palmitate

oleate

phosphatidylcholine

Glycérolipides

Phospholipides

Sphingolipides

Céramide

Sphingophospholipidessphingomyéline

SphingoglycolipidesCérébrosides, gangliosides

Diversité des phospholipides

LaurateMyristatePalmitateStéarateArachidateBehenateLignocerate

PalmitoleateOleateLinoleateLinolenateArachidonate

Nombre de doubles liaisons

0000000

11234

Nombre de carbones

12141618202224

1618181820

Différentes têtes polaires Différents acides gras

Stérols

cholestérol

HO

CH3

CH3

CH

CH3

CH2

CH2

CH2

CH

CH3 CH3

cellules animales ergostérol

cellules végétales

HO

CH3

CH3

CH

CH3

CH

CH

CH

CH

CH3 CH3

CH3

Autoassemblage des molécules amphiphiles en solution

hydrophobe hydrophile

micelles ou bicouches

Selon l’encombrement respectif des 2 parties

Membranes modèlesLiposomes

Les membranes sont diverses et dynamiques

• Différentes compositions en lipides et protéines

PhosphatidylethanolaminePhosphatidylserinePhosphatidylcholinePhosphatidylinositolSphingomyélineGlycolipidesCholesterolAutres

Réticulum endoplasmique

Membrane plasmique

Mitochondrie

7424< 11971722

35239000321

17540050630

proportion en %

Les membranes sont diverses et dynamiques

• Différentes compositions en lipides et protéines • Asymétrie entre les feuillets

membrane plasmique PhosphatidylserinePhosphatidylethanolaminePhosphatidylcholineGlycolipides

extérieur intérieur01090

100

10090100

Les membranes sont diverses et dynamiques

• Différentes compositions en lipides et protéines • Asymétrie entre les feuillets• Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972)

Coefficients de diffusion latérale:Lipides 1-2 µm2/sProtéines membranaires périphériques 1 µm2/sProtéines membranaires intrinsèques 0.1-0.5 µm2/sAttachement au cytosquelette 10-4 µm2/s

Les membranes sont diverses et dynamiques

• Différentes compositions en lipides et protéines • Asymétrie entre les feuillets• Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972)

• Diffusion confinée(Kusumi 1993)

Les membranes sont diverses et dynamiques

• Différentes compositions en lipides et protéines • Asymétrie entre les feuillets• Modèle de la mosaïque fluide (Singer et Nicholson 1972)

• Diffusion confinée (Kusumi 1993)

• Sous-compartiments membranaires

Ajout Ca2+

Regroupement des PS

Les protéines membranaires• 30 % des gènes exprimés • 50 % des cibles pharmaceutiques• 4 % des structures 3D résolues• Difficultés de purification, de cristallisation,

de reconstitution fonctionelle.

Protéines intrinsèquesDétergents ou solv. organiques

Les détergents• Molécules amphiphiles solubles qui disloquent les

membranes• Equilibre monomères / micelle

Concentration micellaire critique

[détergent] total

[dét

erge

nt] m

icel

le[d

éter

gent

] mon

omèr

e cmc

Queue hydrophobe Tête hydrophile

Aliphatiqueou

Squelette rigide

Ioniqueou

Non ionique zwitterionique

polaire

Principe d’action des détergents

Les protéines membranaires• 30 % des gènes exprimés • 50 % des cibles pharmaceutiques• 4 % des structures 3D résolues• Difficultés de purification, de cristallisation,

de reconstitution fonctionelle.

Protéines intrinsèquesDétergents ou solv. organiques

Protéines extrinsèquesSels, pH

Exemple de protéine extrinsèque liée àune protéine intrinsèque

DG : dystroglycanesSG : sarcoglycanesD, S : dystrobrévine, syntrophine

La dystrophine est ancrée au sarcolèmepar les dystroglycanes

Les protéines solubles ou membraires ont des structures inversées

myoglogine porine

aa chargésaa hydrophobes

3 environnements dans une membrane

Quelques règles

aa hydrophobesaa chargésaa aromatiquesglycosylations

Glycophorine A de l’érythrocyteTomita & Marchesi 1975

Prédiction des hélices α transmembranairesEchelle d’hydrophobicité GES

Acide aminé Energie de transfert kcal/mol

Phe F + 3,7Met M + 3,4Ile I + 3,1Leu L + 2,8Val V + 2,6Cys C + 2,0Trp W + 1,9Ala A + 1,6Thr T + 1,2Gly G + 1,0Ser S + 0,6Pro P - 0,2Tyr Y - 0,7His H - 3,0Gln Q - 4,1Asn N - 4,8Glu E - 8,2Lys K - 8,8Asp D - 9,2Arg R - 12,3

LSTTEVAMHTTTSSSVSKSYISSQTNDTHK...

Score 4,6 -2,9

0

2

1

3

-2

-1

-3

Profil d’hydrophobicité de la glycophorine A

Prédiction des hélices α transmembranairesRécepteur β2 adrénergique : 7 TM

Porine : 16 TM

Ancrage des protéines dans les membranes

polytopiques monotopiques

Bactériorhodopsine• Prototype de récepteur à 7 TM• Chez Halobacterium salinarium convertit Elum en ATP

Structure RX Pebay-Peroula 1997

Bactériorhodopsine

Représentation en roue hélicoïdale : hélices amphiphiles

B. transmembraneββββ-barrel

Porines bactériennes

Porine de Rhodopseudomonas blastica (Kreusch 1994)

Prostaglandine H2 synthase-1

Picot 1994

Prostaglandine H2 synthase-1

Boucles hydrophobesPetits peptides secrétés qui déstructurent les membranes

Sun 1997Hill 1991

défensine Cardiotoxine A5

Liaison covalente à des lipides

= Ancre GlycosylPhosphatidylInositol

Groupement farnesylou géranylgéranyl

Annexines

D1D1D2D2

D3D3D4D4

Insertion des protéines dans les membranes

Fonctions des protéines membranaires

Par quelques exemples

Signalisation : Récepteurs couplé aux protéines G

Conversion d’énergie :

Transport : Transporteurs ABCCanal potassiumAquaporines

Centre réactionnel photosynthétiqueATP synthase

GPCR : Rhodopsine• Protéine à 7 TM • GPRC : 950 gènes chez homme, 30 % des cibles

pharmaceutiques• ROS dans les bâtonnets de la rétine

Face intradiscale

Face cytosoliquePalczewski 2000

Rhodopsine

Rhodopsine

Centre réactionnel photosynthétiquede Rhodopseudomonas viridis

• 1ère structure 3D de protéine mbHuber, Deisenhofer, Hartmut 1985

• 4 sous-unités cytochrome c,Chaines L et M (5TM), H (1TM)+ gp prosthétiques

ATP synthase mitochondriale

Structure du domaine F1 1996, du rotor 1999 , du stator 2006 (gp Walker)

ATP synthase mitochondriale

ATP synthase mitochondriale

Les bicouches lipidiques sont imperméables aux molécules polaires

gaz

Les protéines membranaires sont indispensables pour le transport des éléments nécessaires à la cellule

Molécules hydrophobesions Grosses molécules

non chargéesPetites molécules

non chargées

Eauglycérol

Glucose, aa, nucl.

Transport membranaire

• Transport passif : selon le gradient de concentrationPorines bactériennes

• Transport actif : contre le gradient, hydrolyse d’ATPTransporteurs ABCCanaux ioniques

• Transport facilité : accélération du transport dans le sens du gradient

Aquaporines

Transporteurs ABCATP Binding Cassette

Mobdylate transporteur d’Archaeglobus fulgidus

Hollenstein 2007

Sav1866, MDR de S. aureusDawson 2006

Canal potassium

Gp MacKinnon 1998Ksa K+ channel

Canal potassium : sélectivité

Canal potassium : régulation

MthK Ca2+-dépendantgp MacKinnon 2002

aquaporine

Jonctions

« Radeaux » lipidiques

http://www.unifr.ch/anatomy/elearningfree/francais/epithel/epithel05.ht