★ À maîtriser
📌 L’exocytose ajoute de la membrane plasmique lors de la fusion des vésicules avec celle-ci, tandis que l’endocytose en retire lorsqu’elle forme des vésicules.
Compléments
La membrane plasmique délimite les cellules eucaryotes du milieu extracellulaire ; chez les animaux, elle constitue la seule barrière à cette interface, tandis que les cellules végétales possèdent aussi une paroi.
Le système endomembranaire regroupe les membranes qui délimitent les compartiments intracellulaires, notamment celles du réticulum endoplasmique, de l’appareil de Golgi et des vésicules de sécrétion.
Dans le système endomembranaire des hépatocytes, les membranes représentent 58 % des membranes totales et 17 % du volume cellulaire.
Filtre sélectif, pas barrière étanche
★ À maîtriser
Les membranes biologiques comprennent des phospholipides, des glycolipides et des stérols, dont la nature et les proportions varient selon le type cellulaire et la membrane.
La température de fusion des acides gras augmente avec le nombre de carbones et diminue avec le nombre d’insaturations.
Compléments
Les glycérophospholipides sont constitués d’un glycérol, de chaînes d’acides gras et d’un groupement phosphate portant différents groupements.
La sphingomyéline constitue 85 % des sphingolipides chez l’être humain et est neutre à pH 7.
Les glycolipides MGDG et DGDG peuvent représenter jusqu’à 80 % des lipides membranaires des membranes internes des chloroplastes.
Les acides gras membranaires comportent généralement 16 à 32 carbones et sont plus insaturés que ceux des triacylglycérols.
★ À maîtriser
📌 La diffusion facilitée est passive et suit un gradient, tandis que le transport actif primaire dépend d’une ATPase et que le transport actif secondaire repose sur un cotransporteur.
📌 Les protéines transmembranaires traversent la membrane, les protéines ancrées y sont attachées par un motif ou une ancre lipidique, et les protéines périphériques s’y associent par des interactions non covalentes avec d’autres protéines.
Compléments
Le récepteur nicotinique de l’acétylcholine est un récepteur-canal dont la liaison au ligand permet le passage d’ions.
Un récepteur couplé à une protéine G active celle-ci par changement de conformation, puis la protéine G transmet le signal à un effecteur membranaire, déclenchant une cascade jusqu’à un effet biologique.
Les récepteurs à activité enzymatique possèdent un domaine catalytique intracellulaire ; les récepteurs à activité tyrosine kinase sont notamment sensibles à l’insuline et aux facteurs de croissance.
★ À maîtriser
Les membranes biologiques sont des assemblages stables de protéines, de lipides et d’eau, formés par des interactions faibles sans liaison covalente entre protéines et lipides.
En milieu aqueux, les têtes polaires des lipides s’hydratent tandis que leurs chaînes hydrophobes se regroupent, notamment par effet hydrophobe et interactions de Van der Waals.
Selon leur environnement lipidique, des lipides peuvent stimuler ou inhiber une même protéine en modifiant sa conformation.
Le rapport protéines/lipides est de 2,0 pour la membrane nucléaire, 2,1 pour le RE lisse, 2,5 pour le RE rugueux et 3,6 pour la membrane mitochondriale interne.
Le rapport protéines/lipides caractérise la densité de chaque membrane et aide à choisir un protocole de séparation adapté à la taille et à la densité des compartiments.
Compléments
📌 Les micelles sont des agrégats lipidiques sans bicouche, tandis que les liposomes sont des structures vésiculaires constituées d’une bicouche de phospholipides.
📌 Les lipides annulaires entourent une protéine et s’échangent lentement avec les lipides voisins, tandis que les lipides non annulaires s’insèrent dans la protéine, s’y lient avec une forte affinité et peuvent modifier sa conformation.
Composition lipidique → conformation et activité protéiques
★ À maîtriser
🔄 La préparation des fractions suit trois étapes :
Le broyage mécanique au Potter produit un extrait brut contenant des compartiments cellulaires plus ou moins préservés, des organites intacts, des organites fragmentés en vésicules et des fragments membranaires isolés.
📌 La centrifugation différentielle sépare principalement selon la taille lors de centrifugations successives sans gradient, tandis que la centrifugation de zone sépare selon le coefficient de sédimentation sur un gradient de saccharose et que la centrifugation à l’équilibre sépare selon la densité.
📌 En centrifugation à l’équilibre, une particule sédimente si sa densité de flottaison est supérieure à celle du milieu, flotte si elles sont égales et remonte si elle est inférieure.
Compléments
Les organites compacts restent intacts après broyage :
Des fragments membranaires peuvent former des microsomes à partir de :
Le coefficient de sédimentation dépend de la masse et de la forme des particules, et s’exprime en Svedberg (S).
En centrifugation de zone, l’homogénat est déposé au-dessus d’un gradient de saccharose et les particules se séparent selon leur coefficient de sédimentation, ce qui permet de prélever des fractions enrichies à des positions différentes.
Les matrices de gradient citées sont :
Lors d’un Western blot, les protéines sont séparées par électrophorèse sur gel de polyacrylamide après traitement au SDS, transférées sur une membrane de nitrocellulose, reconnues par des anticorps primaires spécifiques puis détectées grâce à des anticorps secondaires couplés à une enzyme produisant un signal chimioluminescent.
Broyer, séparer, valider : de l’homogénat à la fraction enrichie
★ À maîtriser
📌 Dans l’extraction de Folch, la phase supérieure, riche en méthanol et en eau, contient notamment les sphingoglycolipides à longues chaînes glycosylées, tandis que la phase inférieure, riche en chloroforme, contient notamment les phospholipides, les stérols et les sphingoglycolipides et glycolipides à courtes chaînes glycosylées.
📌 La sphingomyéline et la phosphatidylcholine sont majoritaires dans le feuillet externe, tandis que la phosphatidyléthanolamine et la phosphatidylsérine sont majoritaires dans le feuillet interne.
📌 Les chaînes d’acides gras des sphingolipides sont généralement saturées, tandis que celles des glycophospholipides sont plus insaturées.
Compléments
La méthode de Folch consiste à mélanger les tissus ou cellules avec le mélange de solvants, broyer et filtrer, ajouter 0,2 volume d’eau à un volume de filtrat, puis séparer les phases selon l’hydrophilie des lipides. - Folch et al, 1956
Les méthodes sont classées de la moins à la plus résolutive :
Dans les cellules cancéreuses, la phosphatidylsérine peut se déplacer vers le feuillet externe de la membrane.
Dans la membrane plasmique des hématies, les lipides saturés sont majoritairement dans le feuillet externe, avec 35 % de sphingolipides saturés, tandis que les lipides polyinsaturés, notamment les PE et PS à quatre insaturations, sont majoritairement dans le feuillet interne.
La composition lipidique et la répartition des lipides entre les feuillets et les microdomaines varient selon les membranes, ce qui peut entraîner des différences d’épaisseur du cœur hydrophobe et de composition des vésicules issues d’une même membrane.
Feuillet externe : SM et PC ; feuillet interne : PE et PS
★ À maîtriser
📌 Les détergents ioniques ont une CMC élevée et solubilisent efficacement les protéines mais les dénaturent, tandis que les détergents non ioniques ont une CMC plus faible, solubilisent moins efficacement et préservent mieux leur structure native ; les détergents zwitterioniques ont des propriétés intermédiaires et sont souvent dénaturants.
📌 La concentration de détergent doit être ajustée à la protéine et aux conditions expérimentales : une quantité insuffisante expose des portions protéiques et favorise l’agrégation, tandis qu’un excès peut former des micelles sans protéine ou inactiver la protéine.
Compléments
📌 La présence de sels dans le solvant diminue la CMC des détergents ioniques en réduisant l’effet de charge.
Les détergents ioniques et les sels biliaires sont dialysables, contrairement aux détergents non ioniques et zwitterioniques, dont la CMC faible limite l’élimination rapide par dialyse.
Une extraction nécessite généralement environ 150 molécules de détergent par protéine, mais cette proportion doit être adaptée à la nature et à la concentration de la protéine.
La digitonine mime le cholestérol et peut servir à isoler des protéines transmembranaires tout en maintenant leur structure tridimensionnelle.
📌 Les protéines ancrées peuvent être dissociées de la membrane par des agents chaotropes comme l’urée, tandis que les protéines périphériques peuvent être extraites en modifiant la force ionique ou le pH du solvant.
Les protéines extraites en détergent peuvent servir aux études fonctionnelles et structurales, à la purification biochimique par chromatographie et à la reconstitution dans des systèmes modèles lipidiques comme les liposomes ou les nanodisques.
Dans un nanodisque, des phospholipides entourent la protéine d’intérêt et une protéine scaffold, telle que la MSP, stabilise l’ensemble.
L’analyse protéomique des protéines membranaires est difficile parce qu’elles sont hydrophobes et doivent être extraites puis digérées par une protéase avant leur identification par spectrométrie de masse.
La protéine LPL de la myéline est un protéolipide de 275 acides aminés codés par 7 exons, dont 60 % sont non polaires ; elle possède 4 domaines transmembranaires et 6 ancrages membranaires par motifs S-palmitoyl Cys.
Détergent adapté → membrane solubilisée, protéine maintenue en solution
★ À maîtriser
📌 L’électrophorèse 2D sépare les protéines selon leur point isoélectrique par IEF puis selon leur taille par SDS-PAGE, tandis que le western blot correspond à une électrophorèse 1D.
Compléments
Le fractionnement subcellulaire enrichit l’extrait en protéines d’intérêt peu abondantes, notamment lorsque celles-ci se trouvent dans un compartiment interne plutôt qu’à la surface cellulaire.
Les lignées cellulaires facilitent l’identification d’une protéine en permettant de multiplier rapidement et efficacement les cellules dans des flasques ou de grandes plaques.
📌 Les détergents doivent être éliminés avant l’IEF, car les variations de pH et les détergents interfèrent avec l’isoélectrofocalisation des protéines membranaires.
Dans l’analyse 2D d’un complexe, la BN-PAGE sépare d’abord les complexes selon leur taille, puis la bande récupérée est séparée par IEF et SDS-PAGE afin d’isoler ses constituants selon leur charge et leur taille.
Après séparation, la coloration et le découpage du gel de polyacrylamide permettent de récupérer les protéines d’intérêt pour leur analyse par spectrométrie de masse.
BN-PAGE → IEF → SDS-PAGE : taille, puis charge, puis taille
★ À maîtriser
📌 Les détergents peuvent dénaturer les protéines membranaires, leur faire perdre des lipides stabilisateurs, provoquer un repliement incorrect en micelles et perturber les interactions protéine-protéine, alors que les modèles lipidiques simplifiés peuvent mieux préserver leur conformation et leurs interactions.
📌 Les liposomes sont classés selon leur taille et leur nombre de bicouches : les SUV mesurent 20–110 nm, les LUV dépassent 100 nm, les MLV dépassent 500 nm et les GUV dépassent 1 μm.
Compléments
Les principaux systèmes modèles lipidiques sont :
🔄 La préparation par hydratation suit ces étapes :
La taille des liposomes peut être réduite par :
L’ajout de ligands peut favoriser la reconnaissance des liposomes par des macrophages, tandis que l’ajout de PEG peut limiter leur marquage en vue de leur dégradation et faciliter leur circulation.
L’encapsulation dans un liposome permet de cibler l’administration d’un médicament, de contrôler sa dose, de retarder sa dégradation et de libérer le principe actif dans les cellules cibles.
La reconstruction tridimensionnelle prédictive d’une protéine, fondée sur les informations saisies et la comparaison de sa séquence avec des séquences connues, permet de visualiser sa structure globale, l’exposition de certaines régions et sa compatibilité potentielle avec des partenaires.
La composition et la charge des lipides peuvent être ajustées pour modifier la fluidité et la perméabilité des liposomes à 37 °C.
Micelle détergente : solubilise mais dénature ; modèle lipidique : préserve mieux l’état natif
★ À maîtriser
La courbure membranaire dépend de la composition et de la nature des phospholipides, du milieu environnant, de la température ainsi que de l’organisation et de la répartition des lipides dans la bicouche.
Les phases lamellaires Lα et Lβ se distinguent par l’état des phospholipides : ils sont désordonnés en Lα et ordonnés en Lβ.
Les lipides de phase HI ou HII peuvent induire une courbure membranaire et favoriser la fusion, l’endocytose ou l’exocytose.
Compléments
📌 Dans l’organisation HII, les têtes polaires sont à l’intérieur et les chaînes hydrophobes à l’extérieur, tandis que dans l’organisation HI les têtes polaires sont à l’extérieur et les chaînes hydrophobes à l’intérieur.
📌 Le phosphatidylcholine favorise une organisation lamellaire, tandis que la lysophosphatidylcholine, qui a perdu une chaîne d’acide gras, adopte une conformation favorisant HI et la phosphatidyléthanolamine favorise HII.
Le cholestérol a une forme inversement conique, s’insère plus profondément dans la bicouche que les phospholipides et interagit préférentiellement avec des lipides coniques comme GM3.
Dans le réticulum endoplasmique, la synthèse de lipides entre les deux feuillets crée une tension mécanique qui déforme le feuillet cytosolique et peut former une gouttelette lipidique délimitée par un seul feuillet.
Une tête polaire vers l’extérieur caractérise HI ; vers l’intérieur, HII.
★ À maîtriser
📌 Dans la phase gel Lβ, les chaînes d’acides gras sont ordonnées en configuration tout-trans, tandis que dans la phase cristal-liquide Lα elles sont désordonnées.
La température de transition Lβ vers Lα augmente avec la longueur des chaînes d’acides gras et diminue avec leur nombre de doubles liaisons.
Le cholestérol augmente la fluidité des membranes enrichies en phospholipides saturés, mais tend à diminuer la fluidité à température physiologique et à la préserver à basse température.
Compléments
Le cholestérol est plus présent dans les membranes contenant des lipides saturés que dans celles enrichies en phospholipides insaturés.
Le flip-flop spontané des lipides isolés est rare, avec une fréquence mesurée inférieure à une fois par mois, et il est généralement facilité par des protéines.
À température croissante, Lβ ordonnée devient Lα désordonnée.
Les radeaux lipidiques peuvent mesurer de 10 à 200 nm et résistent aux détergents qui solubilisent les autres régions membranaires.
Les radeaux lipidiques peuvent contenir des protéines ancrées par un motif GPI ou par des chaînes acyles, tandis que la plupart des protéines transmembranaires sont exclues de ces microdomaines.
Dans des membranes modèles, l’interaction du cholestérol avec les sphingolipides saturés favorise la formation d’une phase ordonnée L0 distincte de la phase désordonnée Ld.
Les microdomaines membranaires peuvent contribuer à la signalisation, à l’endocytose et aux interactions avec des virus ou des toxines en recrutant certaines protéines et certains récepteurs.
Imaginez des îlots riches en sphingolipides saturés et en cholestérol dans une mer membranaire plus fluide.
★ À maîtriser
📌 La diffusion latérale déplace les lipides et les protéines dans le plan de la membrane, la diffusion rotationnelle réoriente les molécules, et la diffusion transversale fait passer les lipides d’un feuillet à l’autre.
Compléments
Les lipides non lamellaires HII, comme l’acide phosphatidique et la phosphatidyléthanolamine, favorisent la fusion, tandis que les lipides HI comme la sphingomyéline n’y sont pas impliqués.
Le complexe SNARE rapproche les membranes d’une vésicule de sécrétion et de la membrane plasmique grâce à l’enroulement de protéines hélicoïdales compatibles, favorisant l’hémi-fusion puis la fusion.
Lors de la fusion virale dépendante du pH, un changement de condition active le peptide de fusion, qui s’insère dans la membrane cible puis provoque sa déformation jusqu’à la fusion.
Dans les cellules vivantes, les coefficients de diffusion mesurés sont de 0,1 à 0,9 μm²·s⁻¹ pour les lipides et de 0,001 à 0,2 μm²·s⁻¹ pour les protéines.
Dans un modèle de bicouche homogène, le coefficient de diffusion latérale augmente avec la température et la fluidité membranaire, et diminue lorsque la viscosité membranaire augmente.
La diffusion latérale est contrainte par l’encombrement protéique, les interactions avec le cytosquelette, les contacts avec d’autres membranes ou la matrice extracellulaire, et les regroupements de protéines.
La fixation d’un ligand peut modifier la conformation et la répartition membranaire d’un récepteur, ce qui influence le regroupement de molécules, la transmission du signal et l’internalisation du récepteur.
Contact, hémi-fusion, pore de fusion.
★ À maîtriser
📌 La fluorescence correspond à une émission lumineuse depuis l’état excité initial, tandis que la phosphorescence correspond à une émission depuis un état excité intermédiaire.
📌 En fluorescence, l’énergie émise est inférieure à l’énergie transmise et la longueur d’onde d’émission est supérieure à celle d’excitation.
Compléments
★ À maîtriser
📌 Les petites molécules fluorescentes sont des fluorochromes, tandis que les macromolécules fluorescentes sont des fluorophores, intrinsèques ou rendus fluorescents par couplage à des fluorochromes.
La GFP a été identifiée en 1961 par Osamu Shimomura chez la méduse Aequorea victoria, son gène a été cloné en 1992 par D. Prasher et le prix Nobel de chimie lié à ses applications a été attribué en 2008 à O. Shimomura, M. Chalfie et R. Tsien.
La fusion de la GFP à une protéine cellulaire permet de suivre son comportement, ses déplacements et ses interactions dans la cellule.
Compléments
Le FITC, le Texas Red et le Fluo 4 sont des fluorochromes utilisés notamment pour suivre des protéines ou mesurer le calcium, mais le FITC et le Fluo 4 ne peuvent pas être utilisés simultanément dans les conditions présentées.
La GFP est une protéine soluble de 238 acides aminés, formée de 11 brins bêta et d’une hélice alpha, dont le chromophore comprend les acides aminés 65 à 67.
La maturation post-traductionnelle de la GFP comprend :
Les variants EGFP présentent une fluorescence plus intense, un temps de maturation plus court, un seul pic spectral et une meilleure résistance au photoblanchiment que les caractéristiques de référence décrites pour la GFP.
★ À maîtriser
La FRAP consiste à photoblanchir volontairement une zone contenant des molécules fluorescentes, puis à mesurer la récupération de fluorescence au cours du temps pour estimer la proportion de molécules mobiles et leur vitesse.
Le single-particle tracking consiste à imager une molécule marquée au cours du temps, à relever sa position image après image, puis à relier ces positions pour reconstruire sa trajectoire.
La spectroscopie de corrélation de fluorescence mesure les fluctuations d’intensité dans un petit volume d’excitation et leur autocorrélation afin d’estimer le nombre moyen de particules diffusantes et leur temps moyen de résidence.
Compléments
📌 Un signal de FRET apparaît lorsque la distance entre les partenaires est inférieure à 10 nm, sous réserve notamment du recouvrement de leurs spectres.
📌 L’immunohistochimie en double marquage met en évidence la colocalisation de protéines dans des cellules mortes, mais cette colocalisation ne démontre pas leur association physique.
★ À maîtriser
📌 Les flippases transportent les lipides du feuillet luminal vers le feuillet cytosolique, tandis que les floppases les transportent du feuillet cytosolique vers le feuillet luminal ; ces deux mécanismes consomment de l’ATP et contribuent à l’asymétrie.
📌 Les scramblases déplacent les lipides dans les deux sens entre feuillets sans dépendre de l’ATP et tendent à homogénéiser leur répartition, contrairement aux flippases et floppases qui maintiennent l’asymétrie.
Compléments
Le flip-flop spontané dépend de la nature et de la charge des lipides ainsi que du pH, et sa vitesse varie selon le lipide ; la phosphatidyléthanolamine présente un transfert particulièrement lent, d’environ 100 h.
Les scramblases du réticulum endoplasmique sont actives en permanence et favorisent la symétrie, tandis que celles de la membrane plasmique sont activées transitoirement par des signaux cellulaires.
Flippases et floppases consomment l’ATP et maintiennent l’asymétrie ; scramblases équilibrent les feuillets
★ À maîtriser
📌 Les composants membranaires quittent le réticulum endoplasmique soit par transport vésiculaire, soit par transfert non vésiculaire assuré par des protéines de transfert des lipides entre feuillets cytosoliques.
📌 Les transporteurs LTP à poche hydrophobe transfèrent un lipide à la fois, tandis que les transporteurs BLTP à canal hydrophobe peuvent transporter jusqu’à 200 lipides par seconde.
Compléments
Dans la voie sécrétoire du réticulum endoplasmique au Golgi puis à la membrane plasmique, l’épaisseur, l’organisation et l’asymétrie membranaires augmentent globalement.
Les sites de contact membranaires rapprochent notamment le réticulum endoplasmique et d’autres organites à une distance de 30 à 50 nm et facilitent les échanges par des protéines membranaires.
OSBP couple le transfert de cholestérol du réticulum endoplasmique vers le TGN au transfert inverse de PI4P, dont le gradient de concentration fournit l’énergie au cycle d’échange.
📌 Le transport vésiculaire transporte aussi des protéines et des molécules solubles, mais il est moins sélectif et plus coûteux en énergie que le transfert par LTP, lequel contribue à préserver les compositions membranaires distinctes.
L’asymétrie de la membrane plasmique dépend : de la répartition des lipides, de l’orientation et du positionnement des protéines transmembranaires, du recrutement des protéines périphériques, de la contribution du cholestérol
L’interdigitation des chaînes carbonées entre les deux feuillets permet à la composition lipidique d’un feuillet d’influencer le degré d’ordre de l’autre feuillet.
La composition lipidique d’un feuillet peut modifier l’adressage des protéines membranaires dans les domaines ordonnés, comme l’illustre la relocalisation du récepteur à l’acétylcholine après ajout de sphingomyéline au feuillet externe.
Le RE synthétise les lipides → les transferts et les enzymes spécialisés établissent les propriétés de chaque membrane
| Type | Association | Caractéristique |
|---|---|---|
| Transmembranaire | Traverse la membrane | Un ou plusieurs domaines transmembranaires |
| Ancrée | Motif ou ancre lipidique | Associée à un feuillet membranaire |
| Périphérique | Interactions non covalentes | Associée notamment à des protéines transmembranaires |
| Type | Solubilisation | Effet sur la protéine |
|---|---|---|
| Ionique | Efficace | Dénaturant |
| Non ionique | Moins efficace | Préserve mieux la structure native |
| Zwitterionique | Intermédiaire | Souvent dénaturant |
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1. Quelle propriété décrit le mieux une membrane biologique qui maintient le contenu d’un compartiment tout en autorisant certains échanges avec son environnement ?
2. Un compartiment cellulaire est entouré d’une membrane dont la composition permet le passage d’ions et de petites molécules, mais pas celui de macromolécules. Quelle substance devrait pouvoir traverser selon cette règle ?
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Qu’est-ce qu’une membrane biologique ?
Une enveloppe dynamique qui délimite un espace, préserve sa composition et permet des échanges sélectifs.
Quelles molécules les membranes laissent-elles passer selon leur composition ?
Les ions et les petites molécules.
Quel effet l’exocytose a-t-elle sur la membrane plasmique ?
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