Fiche de révision : Protéines et glycocalyx membranaires

📋 Plan du Cours

1. Composition et fonctions des biomembranes
2. Preuves de la bicouche lipidique
3. Lipides membranaires et structure
4. Cholestérol dans la bicouche lipidique
5. Asymétrie des lipides membranaires
6. Mise en évidence des protéines membranaires
7. Modes d’association des protéines
8. Interactions des protéines membranaires
9. Topologie des protéines membranaires
10. Étude fonctionnelle des protéines membranaires
11. Rôles des protéines membranaires
12. Glycocalyx et fraction glucidique
13. Mouvements des lipides et protéines
14. Régulation et domaines membranaires

📅 Repères chronologiques

1. 1935Danielli et Davson constatent que la tension superficielle mesurée sur une membrane biologique est inférieure à celle attendue pour une bicouche lipidique seule.
2. 1935Davson et Danielli proposent un modèle en sandwich constitué d’une bicouche lipidique entourée de deux couches de protéines.
3. 1959Robertson observe une structure trilamellaire sur des électronographies de coupes transversales de membranes réalisées au microscope électronique à transmission.
4. 1970L’expérience de Frye et Edidin montre la fluidité de la membrane.
5. 1972Singer et Nicolson proposent le modèle de la mosaïque fluide, dans lequel les protéines sont enchâssées dans la bicouche lipidique.
6. 1975Branton et ses collaborateurs observent, après cryofracture avec ombrage et examen du moulage au microscope électronique, une surface membranaire granuleuse compatible avec des protéines enchâssées dans la membrane. - Branton et al, 1975

📖 1. Composition et fonctions des biomembranes

🔑 Notions clés & Définitions

• Biomembrane : Bicouche lipidique associée à des protéines qui délimite une cellule ou un organite.

★ À maîtriser

• Les biomembranes assurent cinq fonctions :

  • barrière
  • échanges de matière
  • cohésion et ancrage
  • communication biochimique
  • communication nerveuse électrique

• En moyenne, les biomembranes sont constituées d’environ 40 % de lipides, 60 % de protéines et 0 à 10 % de glucides.

Compléments

• La composition varie selon quatre facteurs :

  • l’espèce
  • le type cellulaire
  • l’organite
  • la position dans l’organite

• Les variations de composition des biomembranes sont liées aux fonctions spécifiques des cellules et des organites chez les différentes espèces.

📖 2. Preuves de la bicouche lipidique

★ À maîtriser

• La dissolution de la membrane par des détergents indique la présence de composés lipidiques hydrophobes, tandis que son contact avec deux milieux aqueux indique la présence de composés en partie hydrophiles ; la membrane doit donc contenir des lipides amphiphiles.

• Dans l’expérience de Gorter et Grendel (1925), les lipides extraits de globules rouges sont étalés sur un dispositif de Langmuir puis resserrés jusqu’à former une monocouche dont la surface est d’environ 300 μm² par globule rouge, soit le double de la surface membranaire théorique d’environ 150 μm². - Gorter & Grendel

Compléments

• L’observation au microscope électronique en transmission d’une membrane plasmique de globule rouge montre une épaisseur moyenne de 7,5 nm et une structure continue tripartite, sombre-claire-sombre.

• Le globule rouge constitue un modèle d’étude de la membrane plasmique parce qu’il en est entouré, contient de l’hémoglobine et ne possède ni noyau ni organites.

💡 Astuce mémo

Deux fois plus de surface lipidique que de surface cellulaire → bicouche

📖 3. Lipides membranaires et structure

🔑 Notions clés & Définitions

• Liposome : Vésicule artificielle délimitée par une bicouche de lipides amphiphiles et servant de modèle d’étude des membranes.

★ À maîtriser

• Les membranes comprennent plusieurs types de lipides : les glycérophospholipides, notamment PC, PE, PI et PS, les sphingolipides, notamment SM, le cholestérol, les glycolipides

• Les glycérophospholipides ont une structure de base commune et varient selon le groupe X lié au phosphate et les acides gras liés au glycérol, souvent insaturés.

• La sphingomyéline est le principal sphingolipide présenté et possède une tête hydrophile ainsi qu’une queue hydrophobe.

• En milieu aqueux, les lipides amphiphiles s’assemblent spontanément en une bicouche lipidique, état le plus stable, qui tend ensuite à se refermer sur elle-même.

Compléments

• La composition lipidique varie selon trois facteurs :

  • le type de biomembrane
  • le type cellulaire
  • l’espèce

• Les végétaux et les bactéries ne possèdent pas de cholestérol, mais les végétaux possèdent du phytostérol.

• Les glycérophospholipides sont amphiphiles, avec une tête hydrophile et une queue hydrophobe.

• Les doubles liaisons des acides gras insaturés peuvent créer des coudes dans leurs chaînes.

📌 Dans la sphingomyéline, le glycérol et l’un des acides gras des phosphoglycérolipides sont remplacés par la sphingosine.

• Les forces motrices de l’assemblage de la bicouche sont la répulsion entre l’eau et les lipides et les interactions de Van der Waals entre lipides.

• La bicouche lipidique délimite deux milieux aqueux, intérieur et extérieur, par une barrière hydrophobe, et permet la formation de vésicules et de cellules.

• Les différentes sphingomyélines peuvent varier selon leur acide gras.

📖 4. Cholestérol dans la bicouche lipidique

🔑 Notions clés & Définitions

• Cholestérol : Petite molécule multic cyclique de la famille des stéroïdes.

📝 Points essentiels

• Le cholestérol est majoritairement hydrophobe, mais son groupe hydroxyle lui confère aussi un caractère hydrophile, ce qui en fait une molécule amphiphile.

• Le cholestérol tend à ordonner la bicouche lipidique et peut en modifier l’épaisseur.

📌 Le cholestérol tend à ordonner les bicouches contenant certains glycérophospholipides comme la PC, mais n’a pas d’effet sur les SM, déjà très ordonnées.

📖 5. Asymétrie des lipides membranaires

★ À maîtriser

• La couche externe de la membrane plasmique est plus riche en PC et en SM que la couche interne.

• La PS contribue à la charge négative de la face interne de la membrane.

• La membrane plasmique est une bicouche de lipides amphiphiles d’une épaisseur moyenne de 7,5 nm.

Compléments

• La composition lipidique de la membrane favorise une courbure de sa face interne, plus riche en PE et en PS.

💡 Astuce mémo

Feuillet externe : PC et SM ; feuillet interne : PE et PS.

📖 6. Mise en évidence des protéines membranaires

📝 Points essentiels

• Danielli et Davson observent qu’un film de protéines à l’interface eau-lipides diminue la tension superficielle, ce qui suggère la présence de protéines dans la membrane.

• 🔄 L’expérience de digestion sélective suit ces étapes :

  1. Traiter des cellules intactes à la trypsine sur leur face externe.
  2. Perméabiliser des cellules et les traiter à la trypsine.
  3. Extraire les protéines membranaires avec du SDS ou du Triton.
  4. Analyser les protéines par SDS-PAGE en conditions dénaturantes.

• Les expériences de digestion sélective distinguent des protéines sensibles à la trypsine des deux côtés de la membrane, des protéines sensibles d’un seul côté et des protéines insensibles au traitement externe mais éliminées après traitement interne.

📖 7. Modes d’association des protéines

★ À maîtriser

📌 Les protéines membranaires peuvent être transmembranaires, ancrées dans la membrane avec des domaines émergents d’un seul côté, ou associées à la membrane sans y être ancrées.

📌 Une protéine intrinsèque traverse intégralement ou partiellement la membrane, tandis qu’une protéine extrinsèque est associée à la membrane sans être transmembranaire.

• Une protéine extrinsèque ancrée est reliée à des lipides par des liaisons covalentes, directement ou par une ancre GPI (glycosylphosphatidylinositol).

Compléments

• Une protéine extrinsèque non ancrée est associée à des protéines transmembranaires par des liaisons faibles.

• Les protéines membranaires sont réparties de façon asymétrique dans la membrane.

📖 8. Interactions des protéines membranaires

★ À maîtriser

• Les protéines membranaires interagissent entre elles et avec les lipides pour former une structure supramoléculaire.

Compléments

• Les hélices alpha des protéines intrinsèques exposent leurs acides aminés hydrophobes vers les lipides membranaires.

• Les interactions peuvent faire intervenir : des attractions ou répulsions électrostatiques, des interactions de Van der Waals, des liaisons hydrogène

• La glycophorine de la membrane des hématies possède un segment de 19 acides aminés hydrophobes formant une hélice alpha transmembranaire.

📖 9. Topologie des protéines membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Topologie protéique : Façon dont une protéine est agencée dans la membrane.
• Profil d’hydrophobicité : Analyse le caractère plus ou moins hydrophobe des acides aminés le long d’une séquence protéique.

📝 Points essentiels

• L’étude du profil d’hydrophobicité permet de prédire l’existence de domaines hydrophobes potentiellement transmembranaires et ainsi d’identifier des protéines transmembranaires.

📌 La présence de 20 acides aminés hydrophobes consécutifs indique l’existence d’une hélice alpha transmembranaire.

📖 10. Étude fonctionnelle des protéines membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine fusion : Protéine artificielle obtenue par combinaison de différentes protéines ou parties de protéines grâce à un clonage moléculaire.

★ À maîtriser

• Pour déterminer la position cytosolique ou extracellulaire de domaines d’une protéine, on fusionne ces domaines à la phosphatase alcaline, on exprime la protéine fusion dans des bactéries, puis on cultive les bactéries avec le substrat BCIP : une colonie bleue indique une position périplasmique ou extracellulaire et une colonie blanche une position intracellulaire; l’expérience peut être répétée avec d’autres domaines.

• L’expression d’une protéine membranaire dans un ovocyte de Xénope permet d’étudier des canaux ioniques ou des transporteurs et d’enregistrer les flux ioniques par électrophysiologie.

Compléments

• La phosphatase alcaline utilisée comme rapporteur ne fonctionne que dans le périplasme bactérien et produit un produit coloré.

• Les ovocytes de Xénope sont adaptés à l’étude des transporteurs et des canaux parce qu’ils possèdent peu de canaux endogènes et sont de grande taille.

• L’intégration d’une protéine dans un liposome constitue une méthode d’étude spécifique de sa fonction membranaire.

📖 11. Rôles des protéines membranaires

★ À maîtriser

• La localisation des protéines dans la membrane est liée à leur fonction.

• Les fonctions des protéines membranaires comprennent :

  • la communication
  • le transport de molécules
  • le métabolisme
  • l’ancrage

Compléments

• Les protéines membranaires sont responsables de la grande diversité des fonctions des membranes.

📖 12. Glycocalyx et fraction glucidique

🔑 Notions clés & Définitions

• Glycocalyx : Ensemble des chaînes glucidiques présentes à la surface des cellules, représentant moins de 10 % de la masse membranaire.

★ À maîtriser

• Le glycocalyx est un revêtement filamenteux d’épaisseur variable, composé de glucides et situé exclusivement à l’extérieur des cellules.

• Le glycocalyx est présent chez tous les types cellulaires eucaryotes et exclusivement à l’extérieur des cellules, ce qui contribue à l’asymétrie membranaire.

• Le glycocalyx protège mécaniquement et chimiquement les cellules en éloignant les objets extérieurs et participe à la reconnaissance cellulaire, notamment dans le système ABO.

• L’expérience de FRAP marque les lipides membranaires par fluorescence, blanchit au laser une petite zone, puis mesure l’évolution de sa fluorescence pour mettre en évidence leur diffusion et en évaluer la vitesse.

• Dans l’expérience de fusion cellulaire de Frye et Edidin (1970), des cellules de souris et des cellules humaines sont immunomarquées avec des anticorps spécifiques et des marqueurs fluorescents, puis fusionnées en hétérocaryon ; à t = 0, les marquages occupent des domaines distincts, tandis qu’après 40 min ils sont répartis sur toute la cellule, montrant la mobilité des protéines et la fluidité des biomembranes.

Compléments

• Les chaînes glucidiques du glycocalyx peuvent être plus ou moins longues selon la composition membranaire, avec l’ordre glycolipide < glycoprotéine < protéoglycane et une épaisseur maximale de 140 nm.

• Les chaînes glucidiques sont liées à la membrane sous forme de :
  • glycolipides
  • glycoprotéines
  • protéoglycanes

📌 Le glycocalyx, aussi appelé feutrage microfibrillaire, cell coat ou glycolemme, est une couche de polysaccharides liés par covalence aux lipides ou aux protéines membranaires.

• Très hydrophile, le glycocalyx crée un environnement aqueux autour de la cellule.

• Le FRAP peut aussi étudier la mobilité des protéines, en utilisant une protéine fusion-GFP ou un immunomarquage.

📖 13. Mouvements des lipides et protéines

★ À maîtriser

• Les lipides membranaires effectuent quatre types de mouvements :

  • Flexion
  • Rotation
  • Diffusion latérale
  • Flip-flop

• Le flip-flop des lipides a lieu dans le réticulum endoplasmique, est très lent et est catalysé par trois types de protéines transmembranaires ; il contribue à l’asymétrie des lipides membranaires.

📌 Les protéines membranaires se déplacent uniquement latéralement dans la bicouche, sans flip-flop, par diffusion passive aléatoire ou par déplacement actif orienté par des protéines motrices liées au cytosquelette.

Compléments

• La flexion des lipides se produit en environ $10^{-9}$ seconde, leur diffusion latérale est d’environ $10^{-7}\ \text{cm}^2/\text{s}$ et leur flip-flop prend environ $10^5$ secondes, soit quelques jours.

• Lors de la diffusion passive des protéines membranaires, les protéines les plus petites se déplacent plus vite.

• Les déplacements latéraux sont nécessaires à la fonction de certaines protéines, notamment la protéine G et le cytochrome C.

📖 14. Régulation et domaines membranaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Rafts lipidiques : Microdomaines membranaires rigides et compacts, formés spontanément, d’un diamètre de quelques nanomètres.

★ À maîtriser

📌 Les acides gras saturés confèrent une fluidité modérée aux membranes, tandis que les acides gras insaturés leur confèrent une fluidité élevée.

📌 À température physiologique, le cholestérol stabilise la membrane en la rigidifiant, tandis qu’à faible température il la fluidifie en empêchant l’agglomération des lipides.

• La fluidité membranaire augmente avec la température en raison de l’agitation moléculaire, et le seuil critique est le point de fusion.

Compléments

• La diffusion des protéines membranaires peut être restreinte par des limites formées par le cytosquelette ou des protéines membranaires, ou immobilisée par le cytosquelette, des protéines membranaires ou des composants extracellulaires.

• Les domaines membranaires contribuent à quatre fonctions :

  • Polarisation des cellules
  • Étanchéité des tissus
  • Ancrage cellulaire
  • Adhérence cellulaire

• Les rafts lipidiques sont riches en acides gras saturés et en certaines protéines ; leur feuillet externe est riche en sphingomyéline, cholestérol et protéines à ancre GPI, tandis que leur feuillet interne est riche en glycérophospholipides et en protéines associées à des lipides.

• Les rafts lipidiques seraient impliqués dans la signalisation cellulaire et le transport de protéines.

💡 Astuce mémo

La composition lipidique et la température modulent la fluidité ; les domaines la restreignent.

📊 Tableaux de synthèse

Asymétrie de la membrane plasmique