TD n 2 - UE2 - lafed-um1.fr · Les sucres-Protection de la cellule-Phénomènes de reconnaissance cellulaire-Propriétés électriques Toujours à l’extérieur Glycocalix= revêtement

TD n°2 - UE2

Cours Membrane, Structure et perméabilité

T. Maudelonde

N. Boulle Année 2012-2013

La plupart des illustrations du TD proviennent

de Molecular Biology of the Cell

Alberts, Johnson, Lewis et al.

(5ème édition)

Après Cryofracture

TM: 5 nm

Lipides membranaires

Phospholipides

Glycérophospholipides(< glycérol) +++

Sphingolipides ++ (< sphingosine)

Cholestérol

Les lipidesQCM 1

� 50% masse de la membrane

� Synthèse par le Réticulum Endoplasmique

Glycolipides

JP Cristol – cours sur les lipides

« Lipides complexes »

Phospholipides

Molécules amphiphiles: 1 pôle hydrophile et 1 pôle hydrophobe

Fluidité membranaire: Longueur et doubles liaisons des AG

Acides Gras

Phospholipides

Phosphatidylinositol(4,5 biphosphate)

(F)

cholinesérineéthanolamine Signalisation+++

Le cholestérol

- Indispensable à la fluidité membranaire,

- Maintient la cohésion des radeaux lipidiques

Propriété des PhospholipidesQCM 1

Fig. 3. 12 : organisation spontanée de la bicouche lipidique

Organisation micellaire

QCM 1 – QCM6

Mouvements des lipides dans la membrane

Fluide +++

QCM 3 – QCM 6

Enzymes (scramblase, Flippase)

(ns)(µs) (mn)

Asymétrie de la membrane plasmique

QCM 3

Extérieur

Intérieur

Les Glucides

Peu abondants 5 - 10% de la masse

Hydrophile => ne peuvent pas s’insérer directement dans la bicouche lipidique

TOUJOURS fixés à

- Protéines : Glycoprotéine

- Lipides : Glycolipides

TOUJOURS situés sur le versant extracellulaire de la MP : cf. synthèse des GP

Rôles : multiples : adhérence, groupes sanguins (AB0), ….

Les sucres

- Protection de la cellule

- Phénomènes de reconnaissance cellulaire

- Propriétés électriques

Toujours à l’extérieur

Glycocalix = revêtement glucidique

Composition des Membranes:Variable selon les membranes

QCM 3

Les radeaux lipidiques

Radeau lipidique

Protéine ancréee GPI

Lectines

Glycolipides

Cholesterol

Cytosol

Milieu extracellulaire

QCM 4

Signal

Sphingolipides

Les radeaux lipidiques

QCM 4

Protéines transmembranaires

Protéines périphériques

NB: mouvements des protéines dans la membrane plasmique, libres ou ± limités

QCM 5

Structures IIaires

Hélice α hydrophobe :

1 - 20 à 30 AA hydrophobes

2 - Liaisons peptidiques hydrophiles INTERNES

Protéines trans-membranairesQCM 5

Six modes de fixation des protéines périphériques

Protéines périphériques

(Cavéoline)

cadhérines

extracellulaire intracellulaire

QCM 2, 5

Cytoplasme

Milieu extracellulaire

Protéines liées à la membrane plasmique par des acides gras

GPI: toujours à l ‘extérieur (dans radeaux lipidiques)

Isoprénylées, myristoylées: toujours à l’intérieur

Protéines de la signalisation:

Src tyrosine kinase, Ras (GTPase) +++

QCM 4, 5, 6

Perméabilité membranaire

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

QCM 1, 7

Les différents modes de transport à travers la membrane plasmique

- Contre un gradient de concentration ou gradient électrochimique :

Nécessite de l’énergie E →→→→ « Transport actif »

(Pompes)

E Energie

Energie: lumière, ATP, réactions d’oxydo-réduction, transport couplé

- Selon un gradient de concentration ou gradient électrochimique:Ne nécessite pas d’énergie: « Transport passif »

(Transporteurs, canaux)

Les différents modes de transport à travers la membrane plasmique

Vitesse (ions/s) 100 <1000 106

Gradient Contre dans le sens* dans le sens

Energie Oui Non/oui* Non

Mod. Conform. Oui Oui Oui (cf inactivation)

*peut véhiculer un autre soluté contre le gradient

ATP ADP

1-Pompe2- Transporteur

3-Canalgradient

QCM 7

Cytosol (intracellulaire) Milieu extracellulaire

K+ +++ +

Na+ + +++

Cl- + +++

Ca++ + (10-7/-4M) variations locales ++

Mg2+ + ++

Il existe une différence de concentration d’ions de part et d’autre de la membrane plasmique

Propriétés de la membrane plasmique

Conséquences:

- La cellule doit maintenir en permanence cette différence de concentration d’ions

Rôles des pompes ATPase Na+/K+ et des pompes à Ca++

- Dans les cellules animales, le Na+ est souvent utilisé dans les systèmes de co-transport (apporte l’« énergie » pour la seconde molécule transportée)


Il existe une différence de concentration d’ions de part et d’autre de la membrane plasmique

DDP ∼ -70 mV(variable selon les cellules)

+++ + ++ ++

Extracellulaire

Intracellulaire

+

Double couche lipidique

+ ++

Il existe une différence de potentiel (DDP) au niveau de la membrane cellulaire – Indispensable à sa survie

DDP: générée par l’action conjuguée des différents canaux ioniques et des pompes

� Dépolarisation de la membrane potentiels électriques (canaux)

+ +


Il existe une différence de potentiel (DDP) au niveau de la membrane cellulaire – Indispensable à sa survie


1- Les Pompes

ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient1- Les Pompes

Energie:

� Lumière: bactéries, archéobactéries+++

pompes à protons

ions

�ATP: 3 classes de pompes fonctionnant avec l’ATP

- ATPases de type F (et V) : F0F1-ATPases et V0V1-ATPases protons

- ATPases de type P: ATPases E1E2 cations (Na+, K+; H+, Ca++)

- Transporteurs ABC petites molécules

!

QCM 8

ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient

Energie:

� Lumière: bactéries, archéobactéries+++

pompes à protons

Changement conformationnel du rétinal

Retinal (chromophore)

lié à la bactériorhodopsine (protéine)

Changement conformationnelde la bacteriorhodopsine

Transport de H+ (selon gradient) (hors de la cellule)

Energie du gradient de H+ ATP (ATP synthétase)

photons

1- Les Pompes

1- Les Pompes (ATP)

Energie:

� ATP: ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient

ATPases de type F (et V) : F0F1-ATPases et V0V1-ATPasesprotons

� ATPases de type F: F0-F1 ATPases

Localisation membrane plasmique des bactéries, membrane interne des mitochondries, chloroplastes

Energie oxydo-réduction (ou respiration oxydative) (mitochondries), photosynthèse (chloroplastes)

Fonction Energie Gradient de protons Synthèse d’ATP

ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient

appelées également ATP synthases (utilisation du gradient de H+ pour synthétiser de l’ATP)

1- Les Pompes (ATP)

O2

CO2 (+ H2O)

ATP

Substrats venant du cytosol

Fatty acid: acides gras

Acides aminés, sucres simples

Pour re-situer: cours de S. Delbecq

La chaîne respiratoire de la mitochondrie ou respiration oxydative

Oxydo-réduction

Pour re-situer: cours de S. Delbecq

La chaîne respiratoire de la mitochondrie ou respiration oxydative

F0-F1 ATPases

ATPases de type F (et V) : F0F1-ATPases et V0V1-ATPasesprotons

� ATPases de type V : V0-V1 ATPases

Localisation - Compartiments acides des cellules eucaryotes: lysosomes, endosomes, vésicules à revêtement de clathrine, vésicules sécrétoires (v. synaptiques)…

- Cellules spécialisées dans la sécrétion de H+ (ostéoclastes, macrophages…)

Energie ATP ADP

Fonction Acidification: transport de H+ dans le compartiment ou à l’extérieur

Gradient de H+: source d’énergie pour d’autres transports

Pi

ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient

1- Les Pompes (ATP)

Interviennent dans l’acidification des endosomes, lysosomes

Pas de synthèse d’ATP

QCM 9

α α αααβ

γγγγ εεεε

C

δδδδ

a

F1

F0

b

ADP+P

ATP

H+

H+

ATP synthétase F1

Matrice mitochondriale

Espace intermembranaire

ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient

F0 = transport des protons (H+)

F1 = synthèse de l’ATP

couplage

1- Les Pompes (ATP)

α α AαB

D E

C

V1

V0

ADP+P

ATP

H+

H+

ATPase V1

cytoplasme

Lumière vacuolaireou milieu extracellulaire

Vph1

1- Les Pompes (ATP)

V0 = H+

V1 = ATPase

QCM 7

ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient

� ATPases de type P (ATPases E1E2) Cations (Na+, K+; H+, Ca++)

- P car se phosphorylent pendant le « pompage »(sur acide aspartique)

- Hydrolysent l’ATP (= énergie)

- Protéines trans-membranaires reliées structurellement (sous unités α et parfois β)

- Rôle essentiel dans la mise en place et le maintien des gradients ioniques (Na+, K+, H+ et Ca++)

1- Les Pompes (ATP)QCM 10

ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient

� ATPases de type P: ATPases E1E2 Cations (Na+, K+; H+, Ca++)

� La pompe Na+/K+ (ATPase Na+K+)

dans toutes les cellules animales

Maintient le gradient de concentration Na+/K+ de part et d’autre de la membrane plasmique

� La pompe Ca++ (Ca++ ATPase)

Maintien de la faible concentration de Ca++ intracytoplasmique

Localisée

- Dans la membrane plasmique

- dans le réticulum endoplasmique (réserve de Ca++)


Cytosol (intracellulaire) Milieu extracellulaire

K+ +++ +

Na+ + +++

Cl- + +++

Ca++ + (10-7/-4M) variations locales ++

Mg2+ + ++

ATPase Na+ / K+ 3Na+2K+

Energie ++ (ATP)

- Contre le gradient: nécessite de l’énergie +++ 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+…) (nutriments, pH cytosolique)

� La pompe Na+/K+ (ATPase Na+K+ )

+

QCM 8

ATPADP

Pompegradient

ATPADP

Pompegradient

�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 (acides aminés, mono et poly-saccaharides, peptides et protéines)

- localisés dans la membrane plasmique, le réticulum endoplasmique…


� Exemples de transporteurs ABC:

- Protéine MDR: Multi Drug Resistance ( dans les cellules tumorales)Exportent les drogues vers le milieu extra cellulaire

résistance aux drogues

- CFTR: contrôle [Cl-] dans les fluides extracellulaires (poumon++)Mutations mucoviscidose

2- les Transporteurs

TransporteurTransporteur

gradientgradient


gradientgradient

2- Les Transporteurs

- Fonctionnent dans le sens du gradient de concentration ou électrochimique

(« Facilitateurs »)

- Précurseur commun ( segments hydrophobes)

12 ou 6 hélices transmembranaires, les 2 extrémités N et C ter du côtécytosolique (cf schéma TM)

- Réversibles:

Modifications conformationnelles réversibles

Fonctionnent dans les deux sens, en fonction du gradient de concentration

QCM 12

Structure des protéines de transport

Transporteur à 12 hélices Transporteur à 6 hélicesModèles hypothétiques du mécanisme de transportpar réorientation des hélices transmembranaires

C

N

C

N

Modification Conformationnelle

réversible

glucoseOuverture du pore

vers l’extérieur

Ouverture du porevers l’intérieur

Liaison du glucosedans le pore

Extrémités N et C terminales en intra-cytosolique

QCM 12, 13

Trasnport selon le gradient de concentration:

Diffusion simple / Diffusion facilitée (transporteurs)


Diffusion facilitée:

Transporteurs

Diffusion simple

Saturation du transporteur

GLUT1

QCM 12-13

3 modes de transport

- Une molécule est transportée dans le sens du gradient de concentration

→ Energie

- L’autre molécule est transportée contre son gradient de concentration

Diffusion facilitée


Transporteurs

Diffusion simple



Transporteurs

Diffusion simple


Transported molecule


gradientgradient


gradientgradient

2- Les TransporteursQCM 12-13

Symport et antiport

2- Les TransporteursQCM 10-11


Transport couplé:

Rôle de l’ATPase Na + /K + : Entretient le gradient de Na+ +++

Gradient de Na+ énergie pour

d’autres transport

Exemples:

- Symport: Na + et sucres/acides aminés: Cellules intestinales, cellules rénales +++:

- Antiport:

Echangeur Na + /H + maintien du pH cytosolique

(entrée de Na+ / sortie - » expulsion » de H+)


gradientgradient


gradientgradient

QCM 12-13

Exemple du glucose dans l’entérocyte

ATPaseNa+/K+


gradientgradient


gradientgradient


Concentration en glucose faible

Concentration en glucose forte


QCM 12-13

Domaine latéral

Domaine basal

Domaine apical

Lumière intestinale

Espace tissulaire d’échange avec le compartiment sanguin

Exemple du glucose dans l’entérocyte

ATPaseNa+/K+

Transport Glc


gradientgradient


gradientgradient


Uniport Glc

(idem GLUT1 du globule rouge)

Sens du gradient


SymportGlc/Na++

(SGLT1)

Contre gradient

Concentration en glucose forte


→ Permet l’absorption du Glc

QCM 12-13

Lumière intestinale

3- les Canaux

gradientgradientCanalCanal


3- Les Canaux

- Selon le gradient de concentration ou électrochimique

- Passage d’un grand nombre de molécules, très rapidement

- Sélectivité variable

- Les canaux fonctionnent en parallèle avec les pompes, et les transporteurs

- 3 fonctions:

- Transport de l’eau et des ions à travers les membranes

- Régulation du potentiel électrique

- Régulation du passage du Ca++ Signalisation

Contraction musculaire

QCM 14



3- Les Canaux

Structure des canaux

• 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;

C

N

Canal potassique KcsAde Streptomyces lividans

Structure boucle et hélice courte nommée P car impliquée dans la

perméabilité du pore

C

N

C

N




CN




S1 S2 S3 S4 S5 S6

CN




S1 S2 S3 S4 S5 S6

C

N

C

N

Structure du canal mécanosensible MscL de Mycobacterium tuberculosis

P: contrôle la perméabilité

S5 S6

QCM 14

Gating = passage entre les états de conduction (O) et de non conduction (F)

Transitions F O rapides, - parfois spontanées- ou contrôlées (signalisation: phosphorylation…)

Etat supplémentaire pour certains canaux: inactivation (I)

Fermé Ouvert Inactivation par lastructure sphérique

K+


K+


K+



Gating

QCM 15 3- Les Canaux: activation



3- Les Canaux

Partie apolaire de la bicouche lipidique: D

QCM 16

C

N




C

N

C

N




Milieu extracellulaire: A

Extrémités N et C terminales: C

Zone de contrôle de la perméabilité membranaire: E Milieu intracellulaire:

Classification par “gating”:ce qui ouvre et ce qui fermeles canaux

3- Les Canaux: activationQCM 14gradientgradient

CanalCanalgradientgradient

CanalCanal

fermé

ouvert

Voltage dépendant

Ligand-dépendant (extraC)

Ligand-dépendant (intraC)

Mécano-sensibles

- Canaux sodiques et potassiques (potentiels d’action)

- Canaux calciques

Ligands: ATP, neurotransmetteurs (acétylcholine, sérotonine,GABA…)



CanauxMscL:

s'ouvrent en réponse à un étirement de la membrane plasmatique

- Ligands: Ca++, GMPc…

QCM 17 3- Les Canaux: activation



3- Les Canaux

Canaux voltage-dépendants

Cellules excitables: neurones, cellules musculaires

- Canaux calciques

- Canaux sodiques et potassiques

Courant électrique stimulant

Potentiel membranaire (mV)

Etat des canaux sodiques

fermé ouvert inactivé fermé

3- Les Canaux

fermé inactivé ouvert fermé

Propagation du potentiel d’action

Deux courants se développent simultanément pendant le potentiel d'action:

- Le courant Na+ assure la phase de dépolarisation membranaire

- alors que le courant K+ assure la phase de repolarisation membranaire .

3- Les Canaux

Potentiel membranaire (résultante canaux Na + + K+)

3- Les Canaux

Nœud de ranvier

Présence de canaux sodiques voltage dépendant concentrés dans les nœuds de Ranvier

« Saut » du potentiel d’action d’un nœud à l’autre

Gaine de myelineNœud de Ranvier

Vitesse de propagation du potentiel d’action +++

3- Les Canaux



Canaux sodiques épithéliaux

-Accélèrent le transport de Na+ et d’eau à travers les tissus épithéliaux

- Selon le gradient de [Na+] ext int

- Localisation apicale

- La pompe ATPase Na+/K+ rétablit le gradient (en baso-latéral)

QCM 18

3- Les Canauxgradientgradient

CanalCanalgradientgradient

CanalCanal

Canaux sodiques épithéliaux: absorption de Na+ par le rein

Canal Na+

ATPaseNa+/K+

apical

Baso-latéral

QCM 15

Concentration en Na+ forte

Concentration en Na+ faible

Concentration en glucose faibleConcentration en

Na+ forte

Canal

ATPaseNa+/K+

lumière

sang

Cellule rénale

3- Les Canaux

Syndrome de Liddle Allongement du temps d'ouverture des canaux sodiques épithéliaux.

QCM 18

Syndrome de Liddle:

Allongement du temps d’ouverture des canaux Na+

Rein réabsorption ++ Na+ et eau

Hypertension artérielle

3- Les Canaux

N

Canal cationique contrôlé par les nucléotides cycliques ou par le Ca++

Domaine de liaisondu nucléotide cyclique

S1 S2 S3 S4 S5 S6

C

Site de liaison duComplexe Ca-calmodulineN

Canal cationique contrôlé par les nucléotides cycliques ou par le Ca++

Domaine de liaisondu nucléotide cyclique

S1 S2 S3 S4 S5 S6

C

Site de liaison duComplexe Ca-calmoduline

Région régulatrice P de la perméabilité du canal: A

Segment transmembranaire du canal:B

Nucléotide cyclique qui ouvre le canal.

Site de liaison du complexe calmoduline-Ca++ des canaux

Ca++ dépendants: D



Canaux régulés par des ligands intra cellulaires

QCM 19

Documents

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