Biomembranes : Composition, Structure et Fonctions

Composition des Biomembranes

Les membranes sont principalement constituées de lipides, de protéines et de glucides, jouant un rôle crucial dans la compartimentation et les échanges cellulaires.

En 1895, Overton a démontré que les molécules hydrophobes traversent facilement la membrane, tandis que les molécules hydrophiles la traversent difficilement, suggérant une composition lipidique prédominante.

L'analyse chimique d'hématies lysées révèle une composition d'environ 40% de lipides, 50% de protéines et 10% de glucides, rendant les membranes sensibles aux agents lipolytiques.

La pénétration rapide du méthanol, malgré sa faible liposolubilité, indique la présence de systèmes de transport spécifiques et que les membranes ne sont pas uniquement composées de lipides.

Les Membranes Biologiques et les Molécules Associées

Les membranes biologiques assurent la compartimentation métabolique et chimique, tout en permettant des échanges essentiels à la vie cellulaire. Elles sont caractérisées par leur asymétrie et leur fluidité.

• Asymétrie: Les membranes ne sont pas homogènes, ni entre leurs deux hémicouches ni sur toute leur surface.
• Fluidité: Les composants membranaires peuvent se remodeler et se déplacer.

Autoassemblage des Lipides

Les acides gras (AG) sont synthétisés dans le cytosol. Chez les eucaryotes, l'assemblage des AG en phospholipides se fait au niveau du Réticulum Endoplasmique Lisse (REL). La dégradation des AG a lieu dans les mitochondries et les péroxysomes.

Les phospholipides sont d'abord insérés dans une seule hémicouche, puis les flipases les répartissent entre les deux couches, augmentant ainsi le volume de la membrane du RE.

Tous les lipides membranaires sont amphiphiles et bipolaires, possédant une tête hydrophile et une queue hydrophobe, ce qui leur permet de s'autoassembler en structures complexes:

• Monocouches: Une seule couche de macromolécules à l'interface eau-air.
• Micelles: Microgouttelettes sphériques avec un cœur hydrophobe et une surface hydrophile.
• Bicouches: Deux couches de lipides opposées par leurs domaines hydrophobes, pouvant être planes ou circularisées en liposomes.

L'étude des membranes artificielles a permis de comprendre que les lipides membranaires forment une double couche et que les particules intramembranaires sont des protéines hydrophobes insérées dans cette double couche.

Liposome

Données Ultrastructurales

Les techniques de cryofracture ont révélé la structure globulaire des protéines et leur répartition en mosaïque au sein de la membrane.

La cryofracture: découper la membrane pour en étudier la composition

Les phases creuses et bombées observées correspondent à l'encombrement des protéines.

Organisation Moléculaire des Protéines Membranaires

Les protéines confèrent une grande diversité aux membranes biologiques, jouant des rôles de transporteurs, de récepteurs, et de reconnaissance intercellulaire.

• Les protéines membranaires sont souvent amphiphiles, interagissant avec les pôles hydrophobes et hydrophiles.
• Elles ne peuvent être solubilisées qu'avec des détergents, molécules amphiphiles qui rompent les liaisons hydrophobes.

On distingue deux types principaux de protéines intrinsèques (ou intégrées):

• Protéines transmembranaires: Traversent entièrement la membrane.
• Protéines "à demi engagées": Accessibles sur une seule face de la membrane.

Certains détergents ioniques, comme le SDS (Sodium Dodecyl Sulfate), dénaturent complètement la protéine, la rendant insoluble après élimination du détergent.

Le SDS-PAGE est une technique utilisée pour séparer les protéines en fonction de leur taille. Les protéines dénaturées et chargées négativement migrent dans un gel d'agarose sous l'effet d'un champ électrique. Les protéines plus petites se faufilent plus facilement dans le maillage du gel.

Schéma du SDS page

Glucides Membranaires

Les glucides sont exclusivement situés sur la face externe des membranes et sont toujours associés de façon covalente à d'autres molécules membranaires (protéines, lipides).

• Glycoprotéines: Protéines avec une faible proportion de glucides.
• Protéoglycanes: Protéines avec jusqu'à 90% de glucides.
• Glycolipides: Lipides liés à des glucides.

Ces glucides forment le glycocalyx, un manteau de la membrane plasmique qui agit comme une "carte d'identité" de la cellule, jouant un rôle informationnel crucial.

L'asymétrie des membranes biologiques est renforcée par la répartition différente des types de phospholipides entre les deux hémicouches. Par exemple, la phosphatidylsérine se trouve principalement dans l'hémicouche interne et son déplacement vers l'hémicouche externe signale la mort cellulaire.

Doc 2 : Hétérogénéité lipidique des deux feuillets de la membrane plasmique.

Conclusion sur la Composition des Membranes

Les membranes sont riches en lipides et en protéines, avec une grande variabilité de proportions selon la membrane. Les protéines confèrent des spécificités fonctionnelles, et leurs résidus glucidiques contribuent à la reconnaissance cellulaire.

Fluidité Membranaire

Les composants des membranes biologiques sont en perpétuel mouvement. Les lipides et les protéines membranaires peuvent se déplacer sur de grandes distances.

• Les molécules lipidiques ont un mouvement de rotation rapide et leurs chaînes hydrocarbonées sont très flexibles.
• La diffusion latérale des lipides est très rapide au sein de leur propre monocouche.
• Le passage des lipides d'une couche à l'autre (flip-flop) est rare.

Les protéines se déplacent également dans le plan membranaire, mais beaucoup plus lentement que les lipides.

L'expérience de fusion cellulaire de Frye et Edidin (1970) a prouvé la fluidité membranaire en montrant le mélange homogène des protéines membranaires après fusion de deux cellules.

Ces déplacements peuvent être influencés par des variations externes (pH, température). Des phénomènes de "résistance" à la fluidité existent, notamment avec les radeaux lipidiques, des zones enrichies en cholestérol.

Doc 3 : Structure d'un radeau lipidique

Diversité des Fonctions Membranaires

Les membranes remplissent de multiples fonctions essentielles:

• Barrières physiques.
• Transporteurs de molécules et d'ions.
• Supports d'activités enzymatiques (REL, mitochondries, chloroplastes).
• Capture et transformation d'énergie.
• Transduction de signaux et d'informations.
• Reconnaissance intercellulaire et cellule-matrice extracellulaire.

Fonctions de Transport

Les mouvements d'ions et de molécules à travers les membranes sont régis par les lois de diffusion physique (Lois de Fick) et la perméabilité membranaire. Le transport peut se faire dans le sens du gradient de concentration (équilibrage) ou contre le gradient (renforcement).

La liposolubilité est fortement corrélée à la facilité de pénétration, mais la membrane n'est pas homogène.

Deux lois principales régissent ces mouvements:

• Diffusion: Mouvement des molécules vers l'homogénéisation de leur concentration.
• Osmose: Mouvement de l'eau à travers la membrane.

Transport Passif, Diffusion Simple

La diffusion simple est le transport d'une molécule à travers la double couche lipidique sous l'effet du gradient de concentration, du milieu le plus concentré vers le moins concentré.

• La vitesse de transport est proportionnelle à la concentration du soluté.
• Les petites molécules hydrophobes diffusent rapidement.
• Les petites molécules polaires non chargées diffusent relativement rapidement.
• Les molécules chargées sont pratiquement incapables de traverser la double couche lipidique.

Le transport passif ne nécessite pas de consommation d'énergie.

L'eau traverse la membrane selon les lois d'osmose, du milieu le moins concentré vers le plus concentré, via des interstices et des protéines intrinsèques comme les aquaporines.

Les molécules chargées, trop grosses ou polaires nécessitent des transporteurs spécifiques.

Transport Passif, Diffusion Facilitée

La diffusion facilitée est un transport passif (sans consommation d'énergie) qui utilise des protéines pour le passage des ions et petites molécules.

• La vitesse de transport est plus rapide et atteint un maximum (saturation) pour une concentration donnée, permettant de déterminer la constante d'affinité (KM) du transporteur.
• Pores et canaux protéiques (tunnels ioniques, conductines) forment des canaux aqueux.
• Les perméases (uniports) transportent une seule molécule, leur vitesse de transport sature.
• Les symports transportent deux molécules dans le même sens.
• Les antiports (échangeurs) transportent deux molécules dans des sens opposés.

Les canaux ioniques s'ouvrent sous l'effet d'un stimulus externe (voltage, ligand, étirement, volume cellulaire) pour permettre le passage des ions dans le sens du gradient électrique.

Transport Actif, Primaire

Le transport actif primaire utilise l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour transporter des ions ou molécules contre leur gradient de concentration, via des pompes.

• Pompes à Ca++: Essentielles pour réguler le calcium, un messager intracellulaire. Très présentes dans le RE des cellules musculaires.
• Pompes à H+: Maintiennent le pH acide des lysosomes, essentiel pour l'activité des hydrolases.
• Pompe Na+/K+ ATPase: Échange 3 Na+ sortants contre 2 K+ entrants. C'est une pompe électrogénique qui participe au potentiel de membrane et consomme un tiers de l'énergie cellulaire.

Un acteur essentiel du potentiel de membrane: La pompe Na+/K+ ATPasique

Transport Actif Secondaire

Le transport actif secondaire ne consomme pas directement d'ATP. Il transporte des ions ou molécules contre leur gradient en couplant ce transport à celui d'un autre composé qui se déplace dans le sens de son gradient (co-transporteur), utilisant l'énergie de transconformation.

Exemple: Le symport Na+/glucose intestinal transporte le glucose contre son gradient grâce à l'entrée de 2 ions Na+ dans le sens de leur gradient.

Bilan des transports membranaires:

• Transport passif: Dans le sens du gradient (diffusion simple ou facilitée).
• Transport actif primaire: Contre le gradient, avec hydrolyse d'ATP.
• Transport actif secondaire: Contre le gradient, couplé à un autre transport, sans hydrolyse directe d'ATP.

Transport d'Informations

Les membranes sont cruciales pour la transduction de signaux, transformant un type de signal en un autre à travers la membrane.

Ce processus implique des récepteurs (souvent des protéines transmembranaires) et des cascades de signalisation (ex: protéines G). La liaison d'un signal à un récepteur induit un changement de conformation de la protéine, déclenchant une série d'événements intracellulaires.

Les récepteurs et protéines de transduction possèdent souvent des capacités enzymatiques (phosphorylation, déphosphorylation, hydrolyse d'ATP/GTP). Ces cascades permettent de moduler l'activité des protéines ou l'expression des gènes.

Transport de Macromolécules

Les cellules absorbent ou sécrètent des macromolécules, des particules ou des cellules via la formation de vésicules limitées par une membrane. Ce processus implique l'endocytose et l'exocytose, qui séquestrent les produits ingérés ou libérés sans contact direct avec le hyaloplasme.

• Endocytose: Transport du milieu extracellulaire vers le cytoplasme.
• Phagocytose: Ingestion de grosses particules ou cellules, nécessitant le cytosquelette.
• Pinocytose: Ingestion de petites particules ou fluides.
• Endocytose de masse en phase liquide (constitutive).
• Endocytose par récepteurs interposés (spécifique): Les macromolécules sont capturées par des récepteurs transmembranaires. Les adaptines recrutent les clathrines, qui induisent la courbure de la membrane et la formation d'une vésicule recouverte. La dynamine étrangle la vésicule, qui se détache et perd son manteau de clathrine.


• Exocytose: Libération de substances du cytoplasme vers le milieu extracellulaire.
• Sécrétion constitutive: Acheminement continu de protéines ou phospholipides vers la membrane plasmique.
• Sécrétion provoquée: Libération de vésicules de stockage sous l'effet d'un stimulus extracellulaire.

• Bourgeonnement: Évagination de vésicules entre compartiments membranaires (ex: RE vers Golgi, Golgi vers membrane plasmique).

Cas particuliers: sécrétion apocrine du lait, exosomes, émission de particules virales enveloppées.